Propriétés physiques et identification d'une espèce chimique

Introduction

Chaque espèce chimique possède des propriétés physiques caractéristiques qui permettent de l'identifier. Ces propriétés sont mesurables et ne dépendent pas de la quantité d'échantillon considéré.

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Température de changement d'état

Température de fusion $T_f$

La température de fusion est la température à laquelle une espèce chimique passe de l'état solide à l'état liquide, sous une pression donnée (généralement la pression atmosphérique standard, $P = 1{,}013 \times 10^5$ Pa).

Température d'ébullition $T_{eb}$

La température d'ébullition est la température à laquelle une espèce passe de l'état liquide à l'état gazeux, sous une pression donnée.

Exemples

Espèce chimique	Formule	$T_f$ (°C)	$T_{eb}$ (°C)
Eau	$H_2O$	0	100
Éthanol	$$1 \text{ g/cm}^3 = 1 \text{ g/mL} = 1000 \text{ kg/m}^3$$0	−114	78
Acide acétique	$$1 \text{ g/cm}^3 = 1 \text{ g/mL} = 1000 \text{ kg/m}^3$$1	17	118
Fer	$$1 \text{ g/cm}^3 = 1 \text{ g/mL} = 1000 \text{ kg/m}^3$$2	1 538	2 861

Critère d'identification : lors du changement d'état d'un corps pur, la température reste constante (on observe un palier sur la courbe de chauffage). Pour un mélange, la température varie pendant le changement d'état.

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Masse volumique

Définition

La masse volumique $$1 \text{ g/cm}^3 = 1 \text{ g/mL} = 1000 \text{ kg/m}^3$$3 (lettre grecque « rhô ») d'un échantillon est le rapport de sa masse sur son volume :

$$\rho = \frac{m}{V}$$

Grandeur	Symbole	Unité SI	Autres unités courantes
Masse volumique	$$1 \text{ g/cm}^3 = 1 \text{ g/mL} = 1000 \text{ kg/m}^3$$4	$$1 \text{ g/cm}^3 = 1 \text{ g/mL} = 1000 \text{ kg/m}^3$$5	$$1 \text{ g/cm}^3 = 1 \text{ g/mL} = 1000 \text{ kg/m}^3$$6 ou $$1 \text{ g/cm}^3 = 1 \text{ g/mL} = 1000 \text{ kg/m}^3$$7
Masse	$$1 \text{ g/cm}^3 = 1 \text{ g/mL} = 1000 \text{ kg/m}^3$$8	$$1 \text{ g/cm}^3 = 1 \text{ g/mL} = 1000 \text{ kg/m}^3$$9	$$d = \frac{\rho_{\text{espèce}}}{\rho_{\text{eau}}}$$0
Volume	$$d = \frac{\rho_{\text{espèce}}}{\rho_{\text{eau}}}$$1	$$d = \frac{\rho_{\text{espèce}}}{\rho_{\text{eau}}}$$2	$$d = \frac{\rho_{\text{espèce}}}{\rho_{\text{eau}}}$$3 ou $$d = \frac{\rho_{\text{espèce}}}{\rho_{\text{eau}}}$$4

Conversion

$$1 \text{ g/cm}^3 = 1 \text{ g/mL} = 1000 \text{ kg/m}^3$$

Exemples

Espèce chimique	$$d = \frac{\rho_{\text{espèce}}}{\rho_{\text{eau}}}$$5 (g/cm³)
Eau (à 25 °C)	1,00
Éthanol	0,79
Fer	7,87
Aluminium	2,70
Mercure	13,55

Application : un objet coule dans un liquide si sa masse volumique est supérieure à celle du liquide.

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Densité

La densité $$d = \frac{\rho_{\text{espèce}}}{\rho_{\text{eau}}}$$6 d'un solide ou d'un liquide est le rapport de sa masse volumique à celle de l'eau :

$$d = \frac{\rho_{\text{espèce}}}{\rho_{\text{eau}}}$$

Comme $$d = \frac{\rho_{\text{espèce}}}{\rho_{\text{eau}}}$$7 g/cm³ à 25 °C, la densité est numériquement égale à la masse volumique exprimée en g/cm³. C'est un nombre sans unité.

Exemple : l'éthanol a $$d = \frac{\rho_{\text{espèce}}}{\rho_{\text{eau}}}$$8 g/cm³, donc $$d = \frac{\rho_{\text{espèce}}}{\rho_{\text{eau}}}$$9. Il est moins dense que l'eau et flotte à sa surface.

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Indice de réfraction

L'indice de réfraction $$n = \frac{c}{v}$$0 d'un milieu transparent caractérise la façon dont la lumière se propage dans ce milieu. Il est mesuré à l'aide d'un réfractomètre.

$$n = \frac{c}{v}$$

• $$n = \frac{c}{v}$$1 m/s : vitesse de la lumière dans le vide
• $$n = \frac{c}{v}$$2 : vitesse de la lumière dans le milieu

Milieu	$$n = \frac{c}{v}$$3
Vide / Air	$$n = \frac{c}{v}$$4
Eau	1,33
Éthanol	1,36
Verre	1,50 – 1,90
Diamant	2,42

L'indice de réfraction est toujours supérieur ou égal à 1 et n'a pas d'unité.

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Identification d'une espèce chimique

Pour identifier une espèce chimique dans un échantillon, on compare ses propriétés physiques mesurées aux valeurs connues (tables de données). On peut combiner plusieurs méthodes :

1. Mesure d'une température de changement d'état

Si on observe un palier de température à $$n = \frac{c}{v}$$5 °C lors de la solidification d'un liquide pur, on peut affirmer qu'il s'agit probablement d'eau.

2. Mesure de la masse volumique

On mesure $$n = \frac{c}{v}$$6 et $$n = \frac{c}{v}$$7 de l'échantillon, on calcule $$n = \frac{c}{v}$$8, puis on compare aux tables.

3. Chromatographie sur couche mince (CCM)

On compare le $$n = \frac{c}{v}$$9 de l'espèce inconnue avec celui d'espèces de référence.

4. Tests chimiques caractéristiques

Test	Réactif	Résultat positif	Ion ou espèce détecté(e)
Test de l'eau	Sulfate de cuivre anhydre (blanc)	Devient bleu	Eau ($T_f$0)
Test du $T_f$1	Eau de chaux	Devient trouble (précipité blanc)	Dioxyde de carbone ($T_f$2)
Test du $T_f$3	Flamme (bûchette)	Détonation (« pop »)	Dihydrogène ($T_f$4)
Test du $T_f$5	Bûchette incandescente	Se rallume vivement	Dioxygène ($T_f$6)
Test des ions chlorure	Nitrate d'argent $T_f$7	Précipité blanc qui noircit à la lumière	$T_f$8

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Démarche d'identification — exemple

On dispose d'un liquide incolore inconnu. On effectue les mesures suivantes :

Propriété mesurée	Valeur obtenue
$T_f$9	78 °C
$P = 1{,}013 \times 10^5$0	0,79 g/cm³
$P = 1{,}013 \times 10^5$1	1,36

En comparant aux tables de données :

Propriété	Eau	Éthanol	Acétone
$P = 1{,}013 \times 10^5$2 (°C)	100	78	56
$P = 1{,}013 \times 10^5$3 (g/cm³)	1,00	0,79	0,78
$P = 1{,}013 \times 10^5$4	1,33	1,36	1,36

Conclusion : les trois propriétés mesurées correspondent à l'éthanol. L'espèce chimique est identifiée.

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À retenir

• Les propriétés physiques caractéristiques d'une espèce : $P = 1{,}013 \times 10^5$5, $P = 1{,}013 \times 10^5$6, $P = 1{,}013 \times 10^5$7, $P = 1{,}013 \times 10^5$8, $P = 1{,}013 \times 10^5$9.
• La masse volumique se calcule par $T_{eb}$0.
• La température est constante lors du changement d'état d'un corps pur (palier).
• Pour identifier une espèce, on compare ses propriétés mesurées aux valeurs tabulées.
• Les tests chimiques (eau de chaux, sulfate de cuivre, etc.) complètent les mesures physiques.