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Corps purs et mélanges : solubilité et miscibilité
Espèce chimique, corps pur ou mélange et comment le prouver ; mélanges homogènes et hétérogènes, miscibilité et ordre des couches ; solubilité en g/L, saturation et masse maximale dissoute ; effet du solvant et de la température, gaz dissous, mesure d’une solubilité ; séparer les constituants, jusqu’à la distillation
À propos de cette page
Corps pur ou mélange : l’espèce chimique
En 6e, tu as appris à distinguer un corps pur d’un mélange. En 5e, on donne un nom aux substances qui composent la matière, les espèces chimiques, et on apprend à vérifier par une expérience qu’un liquide limpide est un mélange.
• Un corps pur ne contient qu’une seule espèce chimique : l’eau distillée, le cuivre pur, le diazote pur.
• Un mélange contient au moins deux espèces chimiques, ses constituants : l’eau du robinet, l’air, le lait. Presque toute la matière qui nous entoure est un mélange ; les corps purs sont surtout préparés au laboratoire ou dans l’industrie.
• Rappel de 6e : la masse d’un mélange est la somme des masses de ses constituants.
• Dans le commerce, « pur » veut dire « sans rien d’ajouté » (« pur jus », eau de source « pure ») : ce n’est pas un corps pur au sens du chimiste.
Comment savoir si un liquide limpide est un corps pur ?
L’aspect ne suffit jamais : un mélange homogène est aussi limpide qu’un corps pur. On peut :
• lire sa composition (étiquette) : au moins deux espèces chimiques, c’est un mélange ;
• le faire évaporer entièrement dans une coupelle propre : s’il reste un dépôt, des espèces étaient dissoutes, c’est un mélange. Sur l’étiquette d’une eau en bouteille, le « résidu sec » (en mg/L) est la masse de minéraux qui reste après l’évaporation de 1 L. S’il ne reste rien, on ne peut pas encore conclure : un autre liquide a pu s’évaporer avec l’eau ;
• mesurer une température de changement d’état : un corps pur bout (ou fond) à une température fixe, qui reste constante pendant tout le changement d’état (un palier) ; un mélange, non.
L’eau d’une piscine contient de l’eau, un produit désinfectant et des sels dissous : au moins trois espèces chimiques, c’est un mélange, même si elle est limpide. Le dioxygène des bouteilles d’hôpital est presque pur : une seule espèce chimique, c’est un corps pur.
On fait évaporer 1 L d’une eau de source : il reste un dépôt blanc de quelques dizaines à quelques centaines de milligrammes : ses minéraux. Cette eau est un mélange. Avec de l’eau distillée, la coupelle reste propre.
Une eau en bouteille porte « résidu sec à 180 °C : 120 mg/L ». En faisant évaporer 0,5 L de cette eau, il resterait 120 × 0,5 = 60 mg de minéraux.
Réflexe — je compte les espèces chimiques : une seule, corps pur ; au moins deux, mélange. Pour un liquide limpide, je cherche une preuve : étiquette, dépôt après évaporation, température de changement d’état.
Attention — limpide, incolore ou homogène ne veut pas dire corps pur : l’eau du robinet est tout cela, et c’est un mélange.
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Homogène, hétérogène, miscible (rappels de 6e)
En 6e, tu as classé les mélanges d’après ce que l’on voit et réalisé le test de miscibilité. En 5e, on l’utilise pour caractériser des liquides et pour prévoir l’ordre des couches.
• Deux liquides sont miscibles s’ils forment un mélange homogène, une seule couche ; non miscibles s’ils se séparent en deux couches au repos. Test : on agite dans un tube bouché, on laisse reposer, on compte les couches.
• La miscibilité dépend des deux liquides : le cyclohexane n’est pas miscible avec l’eau, mais il est miscible avec l’huile.
• Deux liquides non miscibles se superposent : en bas se place celui qui est le plus lourd pour un même volume. Pour le savoir, on compare la masse d’un litre (ou d’un même volume) de chacun.
Test de miscibilité. Eau et éthanol : une seule couche, ils sont miscibles. Eau et cyclohexane : deux couches, ils ne sont pas miscibles ; le cyclohexane, moins lourd que l’eau pour un même volume, est au-dessus. Cyclohexane et huile : une seule couche, ils sont miscibles.
Ordre des couches. Un litre d’huile de tournesol pèse environ 920 g ; un litre de glycérine, un liquide sirupeux non miscible avec l’huile, environ 1 260 g. Au repos, la glycérine forme la couche du bas, l’huile celle du haut.
Combien de couches ? Dans un tube, on agite de l’eau, du sirop de grenadine, de l’huile de tournesol et du cyclohexane. L’eau et le sirop sont miscibles : une couche rose. L’huile et le cyclohexane, miscibles entre eux mais pas avec l’eau, forment une seconde couche, au-dessus : 2 couches.
Réflexe — j’observe après repos : un seul constituant, homogène ; plusieurs, hétérogène. Pour deux liquides : une couche, miscibles ; deux couches, non miscibles, le plus lourd pour un même volume en bas.
Attention — « miscible » se dit de deux liquides ; pour un solide (ou un gaz) qui se dissout dans un liquide, on dit « soluble ». Et une seule couche ne veut pas dire corps pur : c’est un mélange homogène.
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Dissoudre : solubilité et saturation
En 6e, tu as vu qu’on ne peut pas dissoudre autant de solide qu’on veut : la solution finit par être saturée. En 5e, on mesure cette limite avec une grandeur, la solubilité, et on s’en sert pour calculer.
• La solubilité d’une espèce chimique est la masse maximale que l’on peut dissoudre dans 1 L d’eau, à une température donnée. Elle s’exprime en grammes par litre (g/L). Au-delà, la solution est saturée : le solide en trop forme un dépôt, même si l’on agite.
• Pour un volume d’eau V (en litres) : masse maximale = solubilité × V. Si la masse versée est plus petite, tout se dissout ; sinon, dépôt = masse versée − masse maximale. Pour tout dissoudre, il faut au moins V = masse ÷ solubilité.
| Espèce chimique (eau à 20 °C) | Solubilité |
|---|---|
| sel (chlorure de sodium) | environ 360 g/L |
| sucre (saccharose) | environ 2 000 g/L |
| bicarbonate de soude | environ 96 g/L |
| sable | insoluble |
Masse maximale. Dans 0,35 L d’eau à 20 °C, on peut dissoudre au plus 2 000 × 0,35 = 700 g de sucre.
Saturée ou non ? On verse 170 g de sel dans 450 mL d’eau à 20 °C. 450 mL = 0,45 L ; masse maximale : 360 × 0,45 = 162 g. 170 g dépasse 162 g : la solution est saturée, il reste 170 − 162 = 8 g de sel au fond.
Volume d’eau nécessaire. Pour dissoudre 12 g de bicarbonate de soude à 20 °C, il faut au moins 12 ÷ 96 = 0,125 L, soit 125 mL d’eau.
Réflexe — je convertis le volume d’eau en litres, je calcule la masse maximale (solubilité × volume), puis je la compare à la masse versée.
Attention — une solubilité se donne toujours avec sa température. Et un solide qui disparaît dans l’eau ne fond pas : il se dissout ; il est toujours là, et sa masse compte.
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Ce qui change la solubilité : solvant, température, gaz
Nouveau en 5e : la solubilité n’est pas fixée une fois pour toutes. Elle dépend du solvant et de la température, et on peut l’estimer soi-même par une expérience.
• La température compte : pour la plupart des solides, la solubilité augmente quand l’eau est plus chaude (beaucoup pour le sucre ou le nitrate de potassium, très peu pour le sel). Une courbe de solubilité donne la solubilité selon la température. Quand une solution saturée refroidit, le solide en trop réapparaît en cristaux.
• Les gaz se dissolvent aussi dans l’eau : le dioxygène que respirent les poissons, le dioxyde de carbone des boissons gazeuses. Leur solubilité diminue quand l’eau se réchauffe.
• Estimer une solubilité : je mesure un volume d’eau à l’éprouvette graduée et je note sa température ; j’ajoute le solide par petites portions pesées à la balance, en agitant après chaque ajout ; je m’arrête quand une portion ne se dissout plus. Solubilité ≈ masse dissoute ÷ volume d’eau (en L). Plusieurs groupes comparent leurs résultats et écartent une valeur très éloignée.
Solubilité dans l’eau, en grammes pour 1 L d’eau (valeurs arrondies des tables).
Lire la courbe. À 60 °C, la solubilité du nitrate de potassium vaut 1 100 g/L ; à 20 °C, environ 320 g/L. Celle du sel reste entre environ 360 et 380 g/L de 0 °C à 80 °C.
Cristaux au refroidissement. Une solution saturée de nitrate de potassium, faite avec 0,1 L d’eau à 60 °C, contient 1 100 × 0,1 = 110 g de soluté. À 20 °C, 0,1 L d’eau n’en dissout plus qu’environ 32 g : environ 110 − 32 = 78 g de cristaux se déposent.
Les gaz. Au contact de l’air, 1 L d’eau douce dissout au plus 14,6 mg de dioxygène à 0 °C, mais seulement 7,6 mg à 30 °C, presque deux fois moins. C’est pourquoi un fleuve réchauffé par les rejets d’eau chaude d’une centrale électrique (la « pollution thermique ») gêne les poissons : son eau contient moins de dioxygène.
Estimer la solubilité du bicarbonate de soude. Dans 100 mL d’eau à 20 °C, on ajoute des portions de 1 g : 9 portions se dissolvent, la 10e reste au fond. Solubilité ≈ 9 ÷ 0,1 = 90 g/L, proche de la valeur des tables (environ 96 g/L) : avec des portions de 1 g, la mesure n’est précise qu’à 1 g près.
Réflexe — sur une courbe, je pars de la température sur l’axe horizontal, je monte jusqu’à la courbe et je lis la solubilité sur l’axe vertical. Solide : souvent plus soluble à chaud. Gaz : moins soluble à chaud.
Attention — chauffer n’aide pas toujours beaucoup : la solubilité du sel change à peine avec la température. Et dans une mesure, on ne change qu’une chose à la fois : même température, même volume d’eau.
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Séparer les constituants : jusqu’à la distillation
En 6e, tu as séparé des mélanges par décantation, filtration, ampoule à décanter et évaporation. En 5e, on ajoute la distillation, qui récupère le liquide d’un mélange homogène.
• Un filtre ne retient jamais ce qui est dissous : il ne sépare pas un mélange homogène.
• La distillation sépare les constituants d’un mélange homogène. On chauffe le mélange dans un ballon (quelques grains de pierre ponce rendent l’ébullition régulière). Le liquide bout : sa vapeur monte, passe devant le thermomètre, puis dans le réfrigérant, un tube refroidi par un courant d’eau froide qui entre par le bas. La vapeur s’y liquéfie ; le liquide recueilli est le distillat. Un solide dissous ne se vaporise pas : il reste dans le ballon.
• Pour deux liquides miscibles, comme l’eau et l’éthanol (qui bout à 78 °C), le distillat est plus riche en éthanol que le mélange de départ, mais une distillation simple ne donne jamais d’éthanol pur.
• Pour choisir, je regarde ce que contient le mélange et ce que je veux garder ; quand il y a plusieurs constituants, j’enchaîne les techniques. On s’en sert pour traiter l’eau : décantation et filtration pour l’eau potable, distillation pour dessaler l’eau de mer.
| Le mélange contient… | Je veux garder… | Technique |
|---|---|---|
| un solide non dissous dans un liquide | le liquide ou le solide | décantation, puis filtration |
| deux liquides non miscibles | chacun des liquides | ampoule à décanter |
| un solide dissous dans un liquide | le solide seulement | évaporation |
| un solide dissous dans un liquide | le liquide (et le solide) | distillation |
Suivre une distillation. On distille de l’eau salée. Pendant que le distillat coule, le thermomètre indique environ 100 °C : c’est de la vapeur d’eau qui passe dans le réfrigérant. Dans le ballon, l’eau devient de plus en plus salée ; on arrête avant que le ballon soit à sec.
Enchaîner. Une eau de mer chargée de sable : on filtre d’abord (le sable est le résidu, le filtrat est de l’eau salée limpide), puis on distille le filtrat pour obtenir de l’eau sans sel.
Réflexe — solide non dissous : décantation, filtration ; deux liquides non miscibles : ampoule à décanter ; solide dissous à garder : évaporation ; liquide d’un mélange homogène à récupérer : distillation.
Attention — un filtrat limpide n’est pas de l’eau pure : les espèces dissoutes ont traversé le filtre. Et l’évaporation à l’air libre perd l’eau : pour la garder, il faut la liquéfier dans un réfrigérant.
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Pour aller plus loin
Revoir la 6e. Les mélanges et la miscibilité : Mélanges : homogènes, hétérogènes et miscibilité ; la dissolution et la saturation : Mélanges : dissolution et saturation ; tamis, aimant, filtration, marais salants : Mélanges : séparer les constituants.
Les particules. À l’échelle microscopique, un corps pur est fait de particules toutes identiques ; un mélange homogène, de particules différentes réparties partout ; un mélange hétérogène, de particules regroupées en zones. Voir Atomes et molécules : la matière à l’échelle microscopique.
Reconnaître une espèce chimique. Le palier d’un corps pur pendant un changement d’état : Changements d’état : température, masse et volume. Identifier une espèce chimique par un test ou une mesure : Espèce chimique : identifier par des tests et des mesures.
L’air, un mélange de gaz. Sa composition (environ 78 % de diazote et 21 % de dioxygène) : Mélanges : la composition de l’air. Elle sera reprise en 4e.
Se verra en 4e — la masse volumique. La masse d’un litre d’un liquide est sa masse volumique : c’est elle qui fixe l’ordre des couches de deux liquides non miscibles.
- Une espèce chimique est une substance bien définie. Corps pur : une seule espèce chimique ; mélange : au moins deux. L’aspect ne suffit pas : étiquette, dépôt après évaporation, température de changement d’état.
- Homogène : un seul constituant visible ; hétérogène : au moins deux. Deux liquides miscibles forment une couche, non miscibles deux couches, le plus lourd pour un même volume en bas.
- La solubilité est la masse maximale d’une espèce que l’on peut dissoudre dans 1 L d’eau, à une température donnée (g/L). Masse maximale = solubilité × volume (L) ; au-delà, la solution est saturée.
- La solubilité dépend du solvant et de la température : la plupart des solides sont plus solubles à chaud, les gaz moins. On l’estime par ajouts pesés jusqu’au premier dépôt.
- Décantation, filtration, ampoule à décanter, évaporation ; la distillation récupère le liquide d’un mélange homogène : vapeur liquéfiée dans le réfrigérant, le distillat.
Questions fréquentes
Quelle est la différence entre un corps pur et un mélange ?
Un corps pur ne contient qu’une seule espèce chimique, comme l’eau distillée ou le cuivre pur. Un mélange en contient au moins deux, comme l’eau du robinet ou l’air. L’aspect ne suffit pas : un mélange homogène est limpide ; on le prouve par l’étiquette, par un dépôt après évaporation ou par la température de changement d’état.
Comment savoir si deux liquides sont miscibles ?
On les agite dans un tube bouché, puis on laisse reposer. Une seule couche : ils sont miscibles, le mélange est homogène (eau et éthanol). Deux couches : ils sont non miscibles (eau et cyclohexane), et le liquide le plus lourd pour un même volume se place en bas.
Qu’est-ce que la solubilité et comment s’en servir ?
C’est la masse maximale d’une espèce que l’on peut dissoudre dans 1 L d’eau, à une température donnée, en g/L : environ 360 g/L pour le sel à 20 °C. Masse maximale = solubilité × volume d’eau en litres ; au-delà, la solution est saturée et le reste forme un dépôt.
La solubilité dépend-elle de la température ?
Oui. Pour la plupart des solides, elle augmente quand l’eau est plus chaude (beaucoup pour le sucre, très peu pour le sel) ; une courbe de solubilité permet de la lire. Pour les gaz, comme le dioxygène ou le dioxyde de carbone, elle diminue quand l’eau se réchauffe.
Comment récupérer l’eau d’un mélange homogène comme l’eau salée ?
Par distillation : on chauffe le mélange dans un ballon, la vapeur passe dans le réfrigérant refroidi par de l’eau froide, s’y liquéfie, et on recueille le distillat. Le sel reste dans le ballon. Une filtration ne marche pas : le sel dissous traverse le filtre.
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