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Corps purs et mélanges

Espèce chimique, corps pur, mélange homogène/hétérogène, identification (Tfus, CCM, masse volumique)

🌍 Application dans la vie courante : Distinguer un corps pur d'un mélange permet de contrôler la pureté d'un médicament, de détecter une fraude alimentaire (dilution d'une huile essentielle), d'authentifier des pigments en analyse d'œuvres d'art, ou d'identifier un carburant lors d'une expertise après incendie.
Un verre d'eau du robinet et un verre d'eau distillée se ressemblent en tout point à l'œil nu : transparents, incolores, liquides. Pourtant, l'un est un mélange (eau, sels dissous, traces de chlore...) et l'autre se rapproche d'un corps pur (une seule espèce chimique, H2OH_2O). L'apparence ne suffit donc jamais à conclure : il faut des critères physiques mesurables.

Ce chapitre présente ces critères : la température de changement d'état, la masse volumique, et une technique de séparation et d'identification très utilisée en laboratoire, la chromatographie sur couche mince.

📖 Vocabulaire clé

Espèce chimique : Ensemble d'entités (atomes, molécules ou ions) identiques, caractérisées par une formule chimique précise (ex : le dioxygène O2O_2, l'eau H2OH_2O, l'ion chlorure Cl−Cl^-).
Corps pur : Échantillon de matière ne contenant qu'une seule espèce chimique. Il est caractérisé par des grandeurs physiques constantes (température de fusion TfusT_{fus}, température d'ébullition TebT_{eb}, masse volumique ρ\rho), comparables à des valeurs de référence tabulées.
Mélange : Échantillon contenant plusieurs espèces chimiques. Homogène si on ne distingue qu'une seule phase à l'œil nu (ex : eau salée) ; hétérogène si plusieurs phases sont visibles (ex : eau et huile).
Chromatographie sur couche mince (CCM) : Technique séparant les espèces chimiques d'un mélange par migration différentielle sur une plaque, sous l'effet d'un éluant. Chaque espèce migre avec un rapport frontal RfR_f caractéristique, comparable à des références déposées côte à côte.

📋 Identifier un corps pur (ou repérer un mélange) en 3 étapes

  1. 1 Relever une grandeur physique caractéristique de l'échantillon : température de changement d'état par un suivi θ=f(t)\theta = f(t) lors d'un chauffage, masse volumique ρ=mV\rho = \dfrac{m}{V}, ou rapport frontal RfR_f en chromatographie.
  2. 2 Comparer l'allure de la courbe (ou la valeur mesurée) à une référence tabulée : un palier net (température rigoureusement constante) et une valeur conforme à la table signent un corps pur.
  3. 3 Conclure : en l'absence de palier net (la température continue de varier), ou si la valeur mesurée diffère nettement de la référence, ou si plusieurs taches apparaissent en CCM, l'échantillon est un mélange (ou contient des impuretés).

✅ Exemple résolu

Énoncé : Un chimiste réalise une chromatographie sur couche mince (CCM) pour vérifier la pureté d'un sirop de menthe colorée. Il dépose l'échantillon à côté d'un dépôt de référence (colorant alimentaire pur). Après élution, le front du solvant a parcouru dfront=8,0d_{front} = 8{,}0 cm. La tache de référence a parcouru dref=5,2d_{ref} = 5{,}2 cm. L'échantillon présente deux taches, ayant parcouru respectivement 5,25{,}2 cm et 2,42{,}4 cm.

Calcule les rapports frontaux RfR_f et conclus sur la pureté du sirop.
Démarche :
  1. Formule du rapport frontal : Rf=distance parcourue par la tachedistance parcourue par l’eˊluantR_f = \dfrac{\text{distance parcourue par la tache}}{\text{distance parcourue par l'éluant}}.
  2. Référence : Rf=5,28,0=0,65R_f = \dfrac{5{,}2}{8{,}0} = 0{,}65.
  3. Échantillon, tache 1 : Rf=5,28,0=0,65R_f = \dfrac{5{,}2}{8{,}0} = 0{,}65 (identique à la référence). Tache 2 : Rf=2,48,0=0,30R_f = \dfrac{2{,}4}{8{,}0} = 0{,}30 (aucune tache de référence ne correspond).
  4. L'échantillon présente deux taches distinctes, donc au moins deux espèces chimiques : ce n'est pas un corps pur.
Réponse : Le sirop contient au moins deux espèces chimiques différentes (mélange) : le colorant de référence (Rf=0,65R_f = 0{,}65) et une seconde espèce non identifiée par cette référence (Rf=0,30R_f = 0{,}30).

⚗️ Lois et formules clés

Rf=distance parcourue par la tachedistance parcourue par l’eˊluantR_f = \dfrac{\text{distance parcourue par la tache}}{\text{distance parcourue par l'éluant}} (chromatographie sur couche mince)
Masse volumique : ρ=mV\rho = \dfrac{m}{V} (grandeur caractéristique d'un corps pur, en g/cm³ ou kg/m³)
Corps pur : température de changement d'état constante (palier net) à pression donnée, valeur conforme à une table de référence
Mélange homogène : une seule phase visible ; mélange hétérogène : plusieurs phases visibles

🎨 Illustrations

Identifier un corps pur par sa température de fusion
Courbe de chauffage θ = f(t) : palier net ou pas de palier ?

On chauffe régulièrement deux échantillons partant de −10°C-10°C : de la glace pure (courbe pleine) et un mélange eau + sel (courbe en pointillés). Seul le corps pur présente un palier net à température constante pendant le changement d'état.

Courbes de chauffage comparant un corps pur et un melange Un graphique represente la temperature en ordonnee, de moins dix a quinze degres Celsius, en fonction du temps de chauffage en abscisse, de zero a dix minutes. Deux courbes partent du meme point a moins dix degres. La courbe pleine, representant de la glace pure, monte puis forme un palier parfaitement horizontal a zero degre pendant plusieurs minutes avant de remonter : c'est la signature d'un corps pur. La courbe en pointilles, representant un melange eau et sel, monte de facon continue sans jamais former de palier horizontal, meme si sa pente se reduit temporairement autour de zero degre. θ (°C) t (min) −10 −5 0 5 10 15 0 2 4 6 8 10 Corps pur (glace) Mélange (eau + sel) Palier net à 0°C Pas de palier net
  • 1 La glace pure fond à température constante (0°C0°C) : tant que les deux phases (solide + liquide) coexistent, toute l'énergie apportée sert au changement d'état, pas à élever la température. C'est le palier de fusion, signature d'un corps pur.
  • 2 Le mélange eau + sel n'a pas ce palier net : sa fusion commence à une température plus basse (dépression du point de fusion) et la température continue de varier progressivement pendant tout le changement d'état.
  • 3 Cette différence de comportement est un critère d'identification à part entière : observer un palier net et comparer sa valeur à une table de référence permet de confirmer qu'un échantillon est un corps pur.
Ce qu'il faut lire : Suis d'abord la courbe pleine (corps pur) : repère la portion parfaitement horizontale autour de 0°C0°C. Compare-la ensuite à la courbe en pointillés (mélange), qui continue de monter sans jamais former de palier.
Courbes de chauffage θ=f(t)\theta = f(t) : la glace pure (corps pur) présente un palier net à 0°C0°C pendant sa fusion, contrairement au mélange eau + sel dont la température continue de varier.
Identifier un corps pur par chromatographie (CCM)
Lecture d'un rapport frontal RfR_f en CCM

Une tache de référence et un échantillon (le sirop de menthe de l'exemple ci-dessous) sont déposés côte à côte sur la même plaque, puis élués simultanément : le front du solvant parcourt dfront=8,0d_{front} = 8{,}0 cm. Comparer la hauteur de chaque tache à celle de la référence permet de calculer un rapport frontal RfR_f et d'identifier les espèces présentes.

Plaque de chromatographie sur couche mince comparant une reference et un echantillon Une plaque rectangulaire verticale porte deux lignes horizontales en pointilles : la ligne de depot en bas et le front du solvant huit centimetres plus haut. Deux colonnes de depot sont representees : a gauche la reference, avec une seule tache situee a cinq virgule deux centimetres au-dessus de la ligne de depot ; a droite l'echantillon, avec deux taches, l'une exactement a la meme hauteur que la reference, l'autre nettement plus basse, a deux virgule quatre centimetres seulement. Une ligne pointillee horizontale relie la tache de reference a la tache de l'echantillon situee a la meme hauteur, pour montrer qu'elles partagent le meme rapport frontal. Référence Échantillon Front (8,0 cm) Dépôt (0 cm) Rf = 0,65 (identique) Rf = 0,30
  • 1 Le rapport frontal se calcule par Rf=distance parcourue par la tachedistance parcourue par l’eˊluantR_f = \dfrac{\text{distance parcourue par la tache}}{\text{distance parcourue par l'éluant}}. Ici, le front du solvant a parcouru dfront=8,0d_{front} = 8{,}0 cm.
  • 2 La tache de référence a parcouru 5,25{,}2 cm, soit Rf=5,28,0=0,65R_f = \dfrac{5{,}2}{8{,}0} = 0{,}65. Dans l'échantillon, la tache 1 est exactement à la même hauteur : même Rf=0,65R_f = 0{,}65, donc probablement la même espèce chimique que la référence.
  • 3 La tache 2 de l'échantillon n'a parcouru que 2,42{,}4 cm, soit Rf=2,48,0=0,30R_f = \dfrac{2{,}4}{8{,}0} = 0{,}30 : aucune tache de référence ne correspond à cette valeur. L'échantillon contient donc au moins deux espèces chimiques : ce n'est pas un corps pur.
Ce qu'il faut lire : Repère d'abord la ligne de dépôt (bas) et le front du solvant (haut), puis compare la hauteur de chaque tache de l'échantillon à celle de la référence : une même hauteur signale un même RfR_f, donc probablement la même espèce chimique.
Chromatographie sur couche mince (CCM) : la tache 1 de l'échantillon migre à la même hauteur que la référence (Rf=0,65R_f = 0{,}65), mais la tache 2 (Rf=0,30R_f = 0{,}30) ne correspond à aucune référence — l'échantillon est un mélange d'au moins deux espèces chimiques (mêmes valeurs que l'exemple résolu ci-dessous).

❌ Une erreur, une suggestion

❌ L'erreur fréquente

Une confusion fréquente est de croire qu'un mélange homogène (une seule phase visible, comme l'eau salée limpide) est forcément un corps pur, simplement parce qu'on n'y distingue rien à l'œil nu.

✅ La suggestion

Attention : l'homogénéité ne concerne que l'aspect visuel (une seule phase), alors que la pureté concerne le nombre d'espèces chimiques présentes — un mélange parfaitement homogène, comme l'eau salée, reste un mélange (au moins deux espèces chimiques), pas un corps pur.

💡 À retenir

  • Un corps pur ne contient qu'une seule espèce chimique ; un mélange en contient plusieurs (homogène ou hétérogène).
  • Un corps pur présente une température de changement d'état constante (palier net) ; un mélange n'a généralement pas de palier net.
  • La chromatographie sur couche mince (CCM) sépare et identifie les espèces d'un mélange en comparant leurs RfR_f à des références.
  • Identifier un corps pur, c'est comparer une grandeur physique caractéristique mesurée (température, masse volumique, RfR_f) à une valeur de référence tabulée.

🌍 Application dans la vie courante

Où ce phénomène intervient-il ?
Distinguer un corps pur d'un mélange permet de contrôler la pureté d'un médicament, de détecter une fraude alimentaire (dilution d'une huile essentielle), d'authentifier des pigments en analyse d'œuvres d'art, ou d'identifier un carburant lors d'une expertise après incendie.

Mots-clés associés : Corps purMélangeChromatographieTempérature de fusionEspèce chimique
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