Chapitre 3 Mélanges et corps purs

• Identifier les corps simples et composés.
• Identifier les mélanges homogènes et hétérogènes.
• Savoir choisir la méthode de séparation adaptée à un mélange.

La première question que se pose un chimiste à propos d’un échantillon de matière inconnu est de savoir s’il s’agit d’une substance pure ou d’un mélange. Chaque échantillon de matière est l’un ou l’autre.

Lorsque nous parlons d’une substance pure, nous parlons de quelque chose qui ne contient qu’un seul type de matière. Il peut s’agir d’un seul élément ou d’un seul composé, mais chaque échantillon de cette substance que vous examinez doit contenir exactement la “même chose” et avoir les mêmes propriétés. Si nous prenons deux ou plusieurs substances pures et que nous les mélangeons, nous parlerons naturellement d’un mélange.

Selon la nature des particules qui la compose, la matière peut être classée en trois types : les corps purs simples, les corps purs composés et les mélanges.

3.1 Corps pur simple

Corps pur simple
Un corps pur simple est constitué d’atomes d’un seul élément.

Un corps pur simple est le type le plus simple de composition de la matière. Il s’agit d’un assemblage d’atomes d’un seul élément avec des propriétés physiques et chimiques uniques.

Chaque élément a un nom comme le silicium, l’oxygène ou le cuivre. Un morceau de silicium ne contient que des atomes de silicium et un morceau de cuivre ne contient que des atomes de cuivre. Les propriétés macroscopiques d’un morceau de silicium, comme la couleur ou la densité, sont différentes de celles d’un morceau de cuivre, car les propriétés submicroscopiques des atomes de silicium sont différentes de celles des atomes de cuivre.

3.2 Corps pur composé

Corps pur composé
Un corps pur composé est constitué de deux ou plusieurs éléments différents qui sont liés ensemble chimiquement.

Les particules qui forment un corps pur composé sont des atomes qui sont liés ensemble suite à une réaction chimique. Ces atomes ne sont pas simplement mélangés ensemble.

Par exemple, l’eau (H₂O) est un corps pur composé constitué de deux éléments, l’hydrogène et l’oxygène. Ces éléments sont combinés d’une manière très spécifique, deux atomes d’hydrogène pour un atome d’oxygène (d’où H₂O). Plusieurs composés contiennent de l’hydrogène et de l’oxygène, mais un seul a ce rapport spécifique de 2 pour 1, c’est l’eau.

Un corps pur composé a des propriétés physiques et chimiques différentes de celles des éléments qui le composent.

Figure 3.1: Corps purs et corps composés

3.3 Les mélanges

Mélange
Ensemble résultant de l’union de substances différentes sans transformation chimique

Un mélange est constitué de deux ou plusieurs substances (corps pur simples ou composés) qui sont physiquement mêlées, mais non liées chimiquement.

Les mélanges peuvent être homogène ou hétérogène. Ces deux termes sont introduits pour qualifier ce qui peut être différencié à l’oeil.

3.3.1 Les mélanges hétérogènes

Mélange hétérogène
Un mélange est hétérogène si on peut distinguer ses différents constituants à l’oeil nu.

La composition des mélanges hétérogènes varie d’un endroit à l’autre de la matière. Par exemple, si l’on met du sucre dans un bocal, que l’on ajoute du sable et que l’on agite le bocal, le mélange n’aura pas la même composition quelque soit l’endroit du bocal.

3.3.2 Les mélanges homogènes

Mélange homogène
Un mélange est homogène si on ne peut pas distinguer ses différents constituants à l’oeil nu.

Les mélanges homogènes ont une composition uniforme. Chaque partie d’un mélange a la même composition que n’importe quelle autre partie du même mélange. Si l’on dissout du sucre dans l’eau en mélangeant bien, le mélange sera le même, quelque soit l’endroit que l’on goûtera.

• L’air est un mélange homogène composé de plusieurs gaz, principalement l’azote et l’oxygène.
• L’eau de mer est un mélange homogène composé principalement d’eau et de chlorure de sodium (sel).
• L’essence est un mélange homogène composé d’une dizaine de substances.

Figure 3.2: Résumé de la classification de la matière

Indiquez si les échantillons suivants sont des mélanges homogènes ou hétérogènes.

1. Un morceau de marbre
2. Un velouté de légumes
3. Du ciment
4. Un cheeseburger
5. Une infusion de thé

1. mélange hétérogène
2. mélange homogène
3. mélange homogène
4. mélange hétérogène
5. mélange homogène

Indiquez si les échantillons suivants sont des corps purs, des mélanges homogènes ou des mélanges hétérogènes.

1. L’eau distillée
2. L’essence
3. Le sable
4. Le vin
5. L’air

1. H₂O - corps pur
2. hydrocarbures - mélange homogène
3. débris de roches - mélange hétérogène
4. eau + alcool - mélange homogène
5. azote + oxygène - mélange homogène

3.3.3 Les dispersions

Les dispersions sont des mélanges homogènes dans lequel les particules en suspension sont si petites que le mélange semble parfaitement homogène à l’oeil nu. Cependant, à l’aide d’instruments d’observation, on pourra distinguer les différentes substances qui constituent les dispersions.

Les mélanges homogènes pourront à leur tour être classés en solutions, en colloïdes ou en suspensions, en fonction de la taille de leurs particules. Chaque particule peut être une macromolécule unique ou un agrégat de nombreux atomes, ions ou molécules.

• Les solutions (0.1 à 2 [nm]) La dissolution d’une substance dans une autre forme une solution. Un mélange homogène dans lequel les particules sont individuellement réparties de manière uniforme dans la substance dispersante.
• Les colloïdes (2 à 500 [nm]) La substance dispersée est répartie dans la substance dispersante. Les particules sont plus grandes que des molécules simples mais trop petites pour se déposer.
• Les suspensions (500 à 1000 [nm]) Les particules sont d’abord en suspension mais se déposent progressivement par décantation.

Une phase représente chaque partie homogène dont est constitué une dispersion. Dans une dispersion une phase peut être dispersante et l’autre dispersée. Les dispersions sont communément classées selon l’état physique des substances dispersée et dispersante.

phase dispersée	phase dispersante	suspensions et colloïdes
gaz	gaz	mélange toujours homogène (solution)
liquide	gaz	brouillard, laque pour cheveux
solide	gaz	fumée, nuage, poussière
gaz	liquide	crème fouettée, soda, mousse à raser
liquide	liquide	lait, mayonnaise, crème solaire
solide	liquide	peinture, sang, boue
gaz	solide	polystyrène, pierre ponce
liquide	solide	agar-agar, gelatine
solide	solide	roches naturelles, plâtre, ciment, béton

3.4 Méthodes de séparation

Les constituants d’un mélange ont des propriétés physiques différentes. On peut exploiter ces différences pour séparer les différents constituants.

Les techniques décrites ne dépendent que des propriétés physiques des constituants. Il n’y a pas de transformation chimiques qui se produit.

3.4.1 L’attraction magnétique

Figure 3.3: Séparation par attraction magnétique

L’attraction magnétique, ou aimantation, utilise les différences de propriétés magnétiques. Elle permet de séparer un mélange de substances magnétiques et non-magnétiques.

Un mélange de limaille de fer et de poudre de soufre peut être séparé en utilisant un aimant. Cette technique est utilisée dans les déchetteries pour séparer les matériaux magnétiques des matériaux non-magnétiques.

3.4.2 La filtration

Figure 3.4: Filtration par gravité

La filtration est basée sur la différence de taille des particules. Elle est souvent utilisée pour séparer un solide d’un liquide. Le liquide s’écoule à travers les petits trous dans le filtre alors que le solide est retenu.

Dans la filtration sous vide, on diminue la pression au-dessous du filtre ce qui accélère l’écoulement du liquide.

3.4.3 La vaporisation

Figure 3.5: Vaporisation

La vaporisation est basée sur les différences de points d’ébullition. Cette technique est utilisée pour séparer des solides dissous dans un solvant.

Lorsque le mélange contenant les matières solides dissoutes est chauffé, le solvant (liquide) vaporise progressivement et le soluté (solide) solidifie dans le récipient.

Le terme évaporation est utilisé lorsque l’eau est le liquide qui vaporise.

3.4.4 La dissolution sélective

Figure 3.6: Dissolution sélective

La dissolution sélective est basée sur les différences de solubilité.

Cette technique permet de séparer deux solides en ajoutant un solvant dans lequel un seul solide se dissout. Ensuite, il faut filtrer le mélange et vaporiser le solvant afin de récupérer les deux solides.

3.4.5 La sublimation

Figure 3.7: Sublimation

La sublimation est une technique de séparation dans laquelle une substance dans un mélange est directement transformée à l’état gazeux sans passer par l’état liquide. Par chauffage, la matière solide sublime et se solidifie à nouveau lorsque les vapeurs entrent en contact avec une surface froide.

Certains composés solides, tels que l’iode, le camphre, le naphtalène, l’acétanilide, l’acide benzoïque, peuvent être purifiés par sublimation à pression normale. D’autres composés, comme par exemple la caféine, devront être sublimés par chauffage sous pression réduite.

3.4.6 La distillation

Figure 3.8: Distillation simple

La distillation est la principale méthode de séparation des mélanges constitués de liquides. Elle est basée sur la différence des températures d’ébullition des constituants du mélange.

La solution est chauffée de sorte que le liquide ayant le point d’ébullition le plus bas se transforme en vapeur. La vapeur s’élève alors, et se dirige vers le condenseur, où elle est refroidie. La vapeur condense alors en un liquide appelé distillat.

3.4.7 La chromatographie

Figure 3.9: Chromatographie sur colonne

La chromatographie est basée sur le fait que les composants d’un mélange ont plus ou moins tendance à être retenus sur une surface solide.

Cette méthode se compose d’une partie statique (phase stationnaire) et d’une partie mobile (phase mobile). La phase mobile se déplace à travers la phase stationnaire. On injecte le mélange à séparer dans la phase mobile afin qu’il se déplace avec cette dernière dans la phase stationnaire. Les constituants du mélange ayant des affinités différentes avec les deux phases vont se déplacer plus ou moins vite et ainsi être séparés.

3.4.8 L’extraction

Figure 3.10: Extraction

L’extraction est basée sur les différences de solubilités.

On utilise généralement deux solvants ayant une polarité différente, comme l’eau et un solvant organique. Les différentes substances vont migrer dans le solvant dans lequel elles ont la plus grande solubilité.

3.4.9 La sédimentation et la décantation

Figure 3.11: Sédimentation

La sédimentation est un processus dans lequel on laisse couler des particules lourdes insolubles dans un liquide par gravitation. Le liquide clair obtenu est ensuite transféré dans un autre récipient, sans déranger les particules sédimentées. Ce transfert s’appelle la décantation.

La sédimentation et la décantation peuvent également être utilisées pour séparer un mélange de liquides lorsqu’ils ne sont pas miscibles.

La centrifugation utilise la force centrifuge pour accélérer la sédimentation. Les composants plus denses migrent loin de l’axe de la centrifugeuse, tandis que les composants moins denses du mélange migrent vers l’axe.

Quelle méthode de séparation est employée dans chacune des procédures suivantes ?

1. Verser un mélange de pâtes cuites et d’eau bouillante dans une passoire.
2. L’élimination des impuretés colorées dans le sucre brun pour en faire du sucre raffiné.
3. La récupération du sel de table dans des bassins de faible profondeur après évaporation de l’eau de mer, sous l’action combinée du soleil et du vent.

1. Filtration
2. Cristallisation
3. Vaporisation / Évaporation

3.4.10 Résumé des méthodes de séparation

mélange à séparer	méthode de séparation	Propriété utilisée
solide/solide	attraction magnétique	un composant est magnétique
solide/solide	dissolution sélective	un composant est soluble
solide/solide	sublimation	un composant sublime
solide/solide	chromatographie	affinité avec la phase stationnaire
solide/solide	extraction	solubilité dans un des solvants
solide/liquide	filtration	taille des particules
solide/liquide	vaporisation	température d’ébullition / volatilité
solide/liquide	sédimentation/décantation	masse volumique / taille des particules
liquide/liquide	distillation	température d’ébullition
liquide/liquide	chromatographie	affinité avec la phase stationnaire
liquide/liquide	extraction	solubilité dans un des solvants

3.5 Exercices supplémentaires

Identifiez les types et les états de la matière à partir des diagrammes de particules suivants :

1. 
   \(\Box\) solide
   \(\Box\) liquide
   \(\Box\) gaz

2. 
   \(\Box\) solide
   \(\Box\) liquide
   \(\Box\) gaz

3. 
   \(\Box\) solide
   \(\Box\) liquide
   \(\Box\) gaz

4. 
   \(\Box\) corps simple
   \(\Box\) corps composé
   \(\Box\) mél. homogène
   \(\Box\) mél. hétérogène

5. 
   \(\Box\) solide
   \(\Box\) liquide
   \(\Box\) gaz

6. 
   \(\Box\) solide
   \(\Box\) liquide
   \(\Box\) gaz

7. 
   \(\Box\) corps simple
   \(\Box\) corps composé
   \(\Box\) mél. homogène
   \(\Box\) mél. hétérogène

8. 
   \(\Box\) corps simple
   \(\Box\) corps composé
   \(\Box\) mél. homogène
   \(\Box\) mél. hétérogène

1. 
   \(\Box\) solide
   \(\Box\) liquide
   \(\Box\) gaz

10. 
    \(\Box\) corps simple
    \(\Box\) corps composé
    \(\Box\) mél. homogène
    \(\Box\) mél. hétérogène

1. gaz
2. liquide
3. solide
4. mélange hétérogène
5. gaz
6. solide
7. mélange hétérogène
8. mélange homogène
9. liquide
10. mélange homogène

Indiquez si chaque échantillon de matière indiqué est un corps pur, un corps composé, un mélange homogène ou un mélange hétérogène.

1. une cuillère en argent
2. un pain au chocolat
3. un glaçon
4. une poutre en bois
5. de l’encre rouge
6. du jus d’orange pressé

1. corps pur simple
2. mélange hétérogène
3. corps purs composé
4. mélange hétérogène
5. mélange homogène
6. mélange hétérogène

Proposer une méthode de séparation par laquelle les mélanges suivants peuvent être séparés.

1. de la limaille de fer et des copeaux de bois
2. des éclats de verre et du saccharose (sucre de canne)
3. de l’eau et de l’huile d’olive
4. des paillettes d’or et de l’eau

1. attraction magnétique
2. dissolution sélective ou recristallisation
3. sédimentation - décantation
4. filtration