Corps purs et mélanges à l'échelle microscopique

Exercice 1 — Vocabulaire et définitions
1) Définition d'une espèce chimique (1 pt)
Une espèce chimique est un ensemble de particules identiques (atomes ou molécules) ayant la même formule chimique et les mêmes propriétés physiques et chimiques. Exemple : l'eau (H₂O) est une espèce chimique ; toutes ses molécules sont identiques.

2) Définition d'un corps pur (1 pt)
Un corps pur est une substance constituée d'une seule espèce chimique. Toutes les particules qui le composent sont identiques (même formule chimique). Exemple : l'eau distillée (H₂O uniquement) est un corps pur.

3) Corps pur simple vs corps pur composé (2 pts)

• Corps pur simple : formé de molécules (ou atomes) ne contenant qu'un seul type d'élément chimique.
  Exemple : le dioxygène O₂ (un seul élément : O) ; le fer Fe (atomes Fe uniquement).
• Corps pur composé : formé de molécules contenant plusieurs éléments chimiques différents.
  Exemple : l'eau H₂O (éléments H et O) ; le dioxyde de carbone CO₂ (éléments C et O).

Exercice 2 — Corps purs ou mélanges ?
a) Acide sulfurique pur H₂SO₄
→ Corps pur composé. Il ne contient qu'une seule espèce chimique (H₂SO₄), et sa molécule renferme trois éléments différents (H, S, O).

b) Mercure liquide Hg (seul élément présent)
→ Corps pur simple. Il ne contient qu'un seul élément chimique (Hg = mercure), sous forme d'atomes isolés.

c) Eau de mer (NaCl + MgCl₂ + H₂O… tous dissous)
→ Mélange homogène. Plusieurs espèces chimiques (H₂O, NaCl, MgCl₂…) sont toutes dissoutes et réparties uniformément dans le volume : on ne distingue pas les constituants à l'œil nu.

d) Limonade (eau + CO₂ dissous + sucre + arômes)
→ Mélange homogène. Plusieurs espèces chimiques uniformément réparties (tous dissous dans l'eau) : un seul aspect visuel, une seule phase.

e) Peinture à l'huile (pigments + huile : particules visibles en suspension)
→ Mélange hétérogène. Les pigments solides sont en suspension visible dans l'huile : on distingue deux phases, les constituants ne sont pas uniformément répartis à l'échelle macroscopique.

Exercice 3 — Lecture d'un schéma particulaire
a) Quel échantillon représente un corps pur ? Justifie. (2 pts)
L'échantillon P représente un corps pur. Justification : toutes les particules sont des ● noirs identiques → une seule espèce chimique → corps pur. Dans un corps pur, toutes les particules du schéma particulaire sont de même type (même forme, même couleur).

b) Distingue Q et R — type de mélange pour chacun. (2 pts)

• Échantillon Q → Mélange homogène. On observe deux types de particules (● et ▲) uniformément répartis dans tout le volume : impossible de distinguer des zones plus riches en l'un ou l'autre type. C'est la définition du mélange homogène à l'échelle particulaire.
• Échantillon R → Mélange hétérogène. On observe deux types de particules (● et ▲) non uniformément répartis : les ● sont regroupés à gauche, les ▲ à droite. Des zones distinctes (phases) sont visibles, ce qui caractérise un mélange hétérogène.

c) Évolution de R après agitation (espèces miscibles). (1 pt)
Si les deux espèces sont miscibles, l'agitation entraîne une répartition uniforme des particules ● et ▲ dans tout le volume. R évoluerait vers un mélange homogène, similaire à Q.

Exercice 4 — Identification expérimentale
Données du tableau :

• L1 : 100,0 °C (fixe)
• L2 : 78,4 °C (fixe)
• L3 : de 80 °C à 85 °C
• L4 : 100,6 °C (fixe)

a) Quels liquides sont des corps purs ? (2 pts)
L1 et L2 sont des corps purs.
Justification : un corps pur possède une température d'ébullition fixe et constante. L1 bout à 100,0 °C (fixe) et L2 bout à 78,4 °C (fixe) : leurs températures d'ébullition sont précises et constantes, ce qui est caractéristique d'un corps pur.
L3 bout entre 80 et 85 °C (intervalle) → c'est un mélange. L4 bout à 100,6 °C (fixe) → température fixe, mais différente de 100,0 °C : c'est un corps pur différent de l'eau pure (ou bien un mélange dont la composition conduit à cette valeur ; voir question c).

b) Peut-on affirmer avec certitude que L2 est de l'éthanol pur ? (1 pt)
Non, on ne peut pas l'affirmer avec certitude. La température d'ébullition fixe de 78,4 °C est un indice fort, mais d'autres corps purs pourraient par coïncidence avoir une température d'ébullition proche. Il faudrait d'autres mesures (densité, température de fusion, tests chimiques) pour confirmer qu'il s'agit bien d'éthanol pur.

c) Que peut-on dire du liquide L4 ? (1 pt)
L4 bout à une température fixe (100,6 °C) : c'est donc un corps pur. Cependant, sa température d'ébullition est différente de 100,0 °C (eau pure) : il ne s'agit pas d'eau pure. C'est un autre corps pur (espèce chimique différente de H₂O).

Exercice 5 — Synthèse : analyse d'une eau minérale
Données de l'étiquette : Ca²⁺ : 78 mg/L, Mg²⁺ : 24 mg/L, Na⁺ : 6 mg/L, HCO₃⁻ : 252 mg/L (en plus de H₂O).

a) Corps pur ou mélange ? (1 pt)
L'eau minérale est un mélange homogène.
Justification avec le modèle particulaire : l'eau minérale contient plusieurs espèces de particules différentes : des molécules H₂O, des ions Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺ et HCO₃⁻. Ces différentes particules coexistent et sont uniformément réparties dans tout le volume (on ne distingue pas les ions à l'œil nu) → c'est un mélange homogène, pas un corps pur.

b) Technique pour obtenir de l'eau pure. (1 pt)
La distillation. On chauffe l'eau minérale jusqu'à ébullition ; la vapeur d'eau (H₂O pur) se dégage, est condensée dans un réfrigérant et recueillie dans un récipient propre, tandis que les ions minéraux (Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, HCO₃⁻) restent dans le récipient initial car ils ne s'évaporent pas.