Identifier les espèces chimiques seconde : exercices corrigés (PDF)

Une pépite qui brille comme de l’or, une huile essentielle vendue à bas prix, un gaz incolore dans un tube : pour savoir ce qu’on a vraiment sous les yeux, l’aspect ne suffit pas. On mesure, on teste ou on sépare, puis on compare à des références. C’est la démarche d’un laboratoire d’analyse, et c’est celle qu’on attend dans une copie : une mesure ou une observation, une comparaison, puis une conclusion qui n’en dit pas plus que les résultats. Les exercices 1 à 3 se font sans calcul : deux quiz et un texte à trous, corrigés dès que tu valides. Les exercices 4 et 5 sont des situations de contrôle, chacune avec ses documents et un corrigé rédigé comme au tableau.

Identifier une espèce chimique

On mesure, on teste ou on sépare, puis on compare à des références.

Mesurer

La masse volumique se calcule par ρ = m / V, avec m la masse de l’échantillon et V son volume (ρ est la lettre grecque rhô) ; on en tire m = ρ × V. Celle de l’eau liquide vaut 1,00 g/mL, qu’on écrit aussi 1,00 g·mL⁻¹, soit 1,00 kg/L.

Le volume d’un solide entièrement immergé est la montée du niveau d’eau dans une éprouvette : V = V₂ − V₁, où V₁ et V₂ sont les volumes lus avant et après l’immersion.

De deux liquides qui ne se mélangent pas, celui dont la masse volumique est la plus grande forme la couche du bas.

Les températures de fusion et d’ébullition se lisent sur le palier de la courbe de chauffage.

La masse volumique et les températures de changement d’état sont des grandeurs caractéristiques : elles ne dépendent pas de la quantité d’échantillon. Une seule mesure laisse souvent plusieurs espèces possibles : on croise deux grandeurs.

Tester

Eau : le sulfate de cuivre anhydre (c’est-à-dire sans eau), blanc, devient bleu.
Dioxygène : une bûchette incandescente (rouge au bout, sans flamme) se rallume.
Dihydrogène : une petite détonation se produit à l’approche d’une flamme.
Dioxyde de carbone : l’eau de chaux, limpide au départ, se trouble.

Test positif : l’échantillon contient l’espèce, on écrit « contient ». Test négatif : elle est absente, ou trop peu abondante pour être détectée.

Séparer

La chromatographie sur couche mince sépare les espèces d’un mélange. On dépose les échantillons sur une ligne tracée au crayon, au bas d’une plaque. L’éluant, un liquide dont le niveau reste sous cette ligne, monte le long de la plaque et entraîne les espèces plus ou moins haut.

On trace ensuite le front de l’éluant, la ligne la plus haute qu’il a atteinte, puis on révèle les taches, c’est-à-dire qu’on les rend visibles.

Sur la même plaque, une tache à la hauteur d’une référence signale la même espèce.

Corps pur ou mélange ?

Corps pur : la température reste constante pendant le changement d’état (un palier). Une seule tache en chromatographie en est un indice.

Mélange : en général, la température continue d’évoluer pendant le changement d’état (pas de palier). Un dépôt qui donne plusieurs taches signale aussi un mélange.

La carte du chapitre : trois façons de reconnaître une espèce chimique, et les signes qui distinguent un corps pur d’un mélange.

Avant de te lancer : pour les exercices 4 et 5, cherche au brouillon avant d’ouvrir le corrigé : c’est en te trompant que tu progresses. Les exercices réussis se cochent au fur et à mesure, et la page retient où tu en es.

Exercice 3

Le chapitre en un paragraphe

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Le cours en un texte à trous

Pour identifier une espèce chimique, on mesure une grandeur qui ne dépend pas de la quantité d'échantillon, comme , puis on la compare à des valeurs de référence. La masse volumique de l'eau liquide vaut 1,00 g/mL : un litre d'eau a donc une masse de . Un corps pur change d'état à température constante ; un liquide dont la température continue de monter pendant l'ébullition est donc . Une seule mesure laisse souvent plusieurs espèces possibles : on croise alors . Pour savoir si une espèce est présente, on réalise un test chimique : si l'eau de chaux se trouble, le gaz du dioxyde de carbone. Enfin, en chromatographie sur couche mince, on dépose l'échantillon et les références : une tache à la même hauteur qu'une référence signale la même espèce.

Exercice 4

Une pépite dans la rivière

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Masse volumique d'un solide, valeurs de référence

En cherchant de l’or dans le sable d’une rivière, Lucas trouve une pépite jaune et brillante. Est-ce de l’or ? Au laboratoire du lycée, il la pèse : la balance affiche $m = 12{,}0\ \text{g}$ . Il verse ensuite $10{,}0\ \text{mL}$ d’eau dans une éprouvette graduée de $25\ \text{mL}$ , puis il y plonge la pépite, qui est entièrement immergée : le niveau de l’eau monte jusqu’à $12{,}5\ \text{mL}$ .

La pépite est pesée, puis plongée dans l’éprouvette graduée de 25 mL : le niveau de l’eau monte de 10,0 mL à 12,5 mL. Les volumes se lisent en bas du ménisque, la surface courbée du liquide, l’œil à sa hauteur.

Matériau	Aspect	Masse volumique ( $\text{g}\cdot\text{cm}^{-3}$ )
Or	jaune, brillant	$19{,}3$
Laiton (mélange de cuivre et de zinc)	jaune, brillant	$8{,}4$
Pyrite, surnommée « l’or des fous »	jaune doré, brillant	$5{,}0$

Données : $1\ \text{mL} = 1\ \text{cm}^3$ . L’unité $\text{g}\cdot\text{cm}^{-3}$ se lit « gramme par centimètre cube » : c’est la même que $\text{g/cm}^3$ .

Déterminer le volume $V$ de la pépite.
Calculer sa masse volumique $\rho$ .
La pépite est-elle en or ? Identifier le matériau à l’aide du tableau.
Pourquoi l’aspect de la pépite ne suffisait-il pas pour conclure ?
Quelle serait la masse d’une pépite d’or de même volume ?

Voir le corrigé

1. La pépite, entièrement immergée, prend la place d’un volume d’eau égal au sien : le niveau monte. Son volume est la différence des deux lectures de l’éprouvette :

$V = V_2 - V_1 = 12{,}5\ \text{mL} - 10{,}0\ \text{mL} = 2{,}5\ \text{mL}$

Comme $1\ \text{mL} = 1\ \text{cm}^3$ , le volume de la pépite vaut $V = 2{,}5\ \text{cm}^3$ .

2. La masse volumique est la masse de l’échantillon divisée par son volume :

$\rho = \dfrac{m}{V} = \dfrac{12{,}0\ \text{g}}{2{,}5\ \text{cm}^3} = 4{,}8\ \text{g}\cdot\text{cm}^{-3}$

3. On compare la valeur mesurée aux valeurs de référence, écrites dans la même unité :

or : $19{,}3\ \text{g}\cdot\text{cm}^{-3}$ , environ quatre fois plus que la valeur mesurée : la pépite n’est pas en or ;
laiton : $8{,}4\ \text{g}\cdot\text{cm}^{-3}$ , nettement plus que $4{,}8\ \text{g}\cdot\text{cm}^{-3}$ : le laiton est écarté lui aussi ;
pyrite : $5{,}0\ \text{g}\cdot\text{cm}^{-3}$ , proche de la valeur mesurée.

Parmi les matériaux du tableau, la mesure n’est compatible qu’avec la pyrite, « l’or des fous ». Le petit écart qui reste peut s’expliquer par l’imprécision des lectures sur l’éprouvette : avec $V = 2{,}4\ \text{cm}^3$ au lieu de $2{,}5\ \text{cm}^3$ , on trouverait $\rho = \dfrac{12{,}0\ \text{g}}{2{,}4\ \text{cm}^3} = 5{,}0\ \text{g}\cdot\text{cm}^{-3}$ . Dans une copie, on garde la valeur mesurée, $4{,}8\ \text{g}\cdot\text{cm}^{-3}$ , et on explique qu’elle est compatible avec celle de la pyrite.

4. L’or, le laiton et la pyrite sont tous les trois jaunes et brillants : leurs aspects sont très proches, et l’aspect seul ne permet pas de les distinguer avec certitude. La masse volumique, elle, les sépare nettement : c’est une grandeur caractéristique.

5. La relation $\rho = \dfrac{m}{V}$ donne, en multipliant ses deux membres par $V$ : $m = \rho \times V$ . Pour une pépite d’or de même volume :

$m_{\text{or}} = \rho_{\text{or}} \times V = 19{,}3\ \text{g}\cdot\text{cm}^{-3} \times 2{,}5\ \text{cm}^3 = 48\ \text{g}$

Le calcul donne $48{,}25\ \text{g}$ , arrondi à $48\ \text{g}$ : deux chiffres significatifs, comme le volume. Les unités se vérifient : des $\text{g}\cdot\text{cm}^{-3}$ multipliés par des $\text{cm}^3$ donnent des $\text{g}$ . C’est environ quatre fois la masse de la pépite de Lucas : à volume égal, l’or est beaucoup plus lourd que la pyrite.

Réflexe à retenir : pour un solide de forme quelconque, le volume est la différence des deux lectures de l’éprouvette, $V_2 - V_1$ , et non la lecture finale.

Je l’ai réussi (ta coche reste enregistrée sur cet appareil)

Exercice 5

L'huile essentielle de clou de girofle

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Type contrôle, avec deux documents à exploiter

Le clou de girofle, une épice utilisée en cuisine, renferme une huile essentielle très parfumée. Des élèves l’extraient au laboratoire, puis ils cherchent quelles espèces chimiques elle contient. Ils la comparent aussi à une huile achetée à bas prix, vendue comme « huile essentielle de clou de girofle ».

Document 1 : ce que les élèves ont fait et observé.

L’extraction. Les élèves entraînent l’huile essentielle des clous de girofle avec de la vapeur d’eau. Le liquide recueilli forme deux couches qui ne se mélangent pas : l’huile essentielle forme la couche du bas, l’eau celle du haut.
Le séchage. Ils récupèrent l’huile et la sèchent, c’est-à-dire qu’ils en retirent les dernières traces d’eau. Ils ajoutent ensuite une pointe de spatule de sulfate de cuivre anhydre, blanc, à quelques gouttes de cette huile : la poudre ne bleuit pas.
La chromatographie. Ils tracent au crayon à papier une ligne de dépôt à $1\ \text{cm}$ du bas d’une plaque. Avec un tube très fin, ils y déposent une petite goutte de chaque échantillon, dilué de la même façon dans un solvant. Ils placent la plaque dans une cuve contenant l’éluant, dont le niveau reste sous la ligne de dépôt. Après la migration, ils tracent le front de l’éluant, puis ils révèlent les taches, qui sont incolores.

Document 2 : le chromatogramme après révélation. A : huile extraite par les élèves ; B : huile achetée à bas prix ; C : eugénol pur ; D : acétyleugénol pur. Une règle graduée en millimètres est placée le long de la plaque, son zéro sur la ligne de dépôt.

Comparer la masse volumique de l’huile essentielle à celle de l’eau liquide, en citant la valeur de la masse volumique de l’eau liquide. Justifier à l’aide du document 1.
Que montre le test au sulfate de cuivre anhydre ?
Pourquoi la ligne de dépôt est-elle tracée au crayon à papier, et pourquoi le niveau de l’éluant doit-il rester sous cette ligne ?
L’huile extraite par les élèves (dépôt A) est-elle un corps pur ou un mélange ? Justifier.
À l’aide des références C et D, identifier des espèces présentes dans l’huile A. Que peut-on dire de sa tache la plus haute ?
L’huile B a-t-elle la même composition que l’huile extraite des clous de girofle ? Que peut-on affirmer sur son contenu ?

Voir le corrigé

1. Les deux liquides ne se mélangent pas : celui dont la masse volumique est la plus grande forme la couche du bas. L’huile essentielle est sous l’eau : sa masse volumique est donc plus grande que celle de l’eau liquide, qui vaut $1{,}00\ \text{g}\cdot\text{mL}^{-1}$ . Contrairement à l’huile de cuisine, qui flotte sur l’eau, cette huile essentielle coule : les valeurs publiées pour elle sont voisines de $1{,}05\ \text{g}\cdot\text{mL}^{-1}$ .

2. Le sulfate de cuivre anhydre, blanc, devient bleu au contact de l’eau. Ici, il ne bleuit pas : le test est négatif. L’huile séchée ne contient pas d’eau, ou en quantité trop faible pour être détectée : le séchage a rempli son rôle.

3. On trace la ligne de dépôt au crayon à papier parce que ce trait ne migre pas avec l’éluant. L’encre d’un stylo, elle, peut contenir des espèces qui migreraient avec l’éluant et ajouteraient leurs propres taches, comme l’encre noire de l’exercice 2. Le niveau de l’éluant reste sous la ligne de dépôt : sinon, les dépôts se dissoudraient dans l’éluant de la cuve au lieu de migrer sur la plaque.

4. Le dépôt A laisse trois taches séparées : l’huile extraite contient au moins trois espèces chimiques. C’est un mélange.

5. Sur une même plaque, une tache située à la même hauteur qu’une référence est attribuée à cette espèce.

Une tache de A est à la hauteur de la tache de C, à environ $3{,}6\ \text{cm}$ de la ligne de dépôt : l’huile A contient de l’eugénol.
Une autre tache de A est à la hauteur de la tache de D, à environ $2{,}7\ \text{cm}$ : l’huile A contient de l’acétyleugénol.
La tache la plus haute, à environ $5{,}4\ \text{cm}$ , n’est à la hauteur d’aucune référence : elle correspond à une espèce qu’on ne peut pas identifier avec les références déposées. Pour la nommer, il faudrait refaire une chromatographie avec d’autres références.

Lecture du chromatogramme : les pointillés relient les taches situées à la même hauteur au-dessus de la ligne de dépôt.

6. L’huile B ne laisse qu’une tache, à la hauteur de celle de l’eugénol : elle contient de l’eugénol. On n’y voit ni la tache de l’acétyleugénol ni la tache la plus haute de A. Les deux huiles ont été déposées de la même façon, et leurs taches d’eugénol ont la même taille : si B contenait ces espèces dans les mêmes proportions que A, leurs taches seraient visibles. Elles sont donc absentes de B, ou en quantité trop faible pour être détectées : l’huile B n’a pas la même composition que l’huile extraite des clous de girofle. Sa tache unique laisse penser qu’elle ne contient que de l’eugénol, mais ce n’est qu’un indice : une autre espèce pourrait migrer à la même hauteur ou rester invisible. D’autres mesures seraient nécessaires pour l’affirmer.

Réflexe à retenir : en chromatographie, on compare des hauteurs sur une même plaque. Une tache qui n’est à la hauteur d’aucune référence reste non identifiée.

Pour aller plus loin, hors des capacités exigibles en seconde : certains énoncés font calculer le rapport frontal $R_f = \dfrac{h}{H}$ , où $h$ est la distance entre la ligne de dépôt et le centre d’une tache, et $H$ la distance entre la ligne de dépôt et le front de l’éluant. Il conduit ici à la même conclusion : pour l’eugénol, $R_f = \dfrac{3{,}6\ \text{cm}}{6{,}0\ \text{cm}} = 0{,}60$ dans les dépôts A, B et C.

Je l’ai réussi (ta coche reste enregistrée sur cet appareil)

Les trois réflexes à retenir

Un test positif montre une présence, pas une pureté. Le sulfate de cuivre anhydre qui bleuit montre que l’échantillon contient de l’eau, pas qu’il n’est que de l’eau. Un test négatif, lui, signale une espèce absente ou trop peu abondante pour être détectée.
Une grandeur caractéristique ne dépend pas de la quantité d’échantillon. La masse volumique et les températures de changement d’état se comparent à des valeurs de référence ; quand plusieurs espèces ont des valeurs proches, on croise deux grandeurs.
En chromatographie, on compare des hauteurs sur une même plaque. Plusieurs taches signalent un mélange d’au moins autant d’espèces ; une tache à la hauteur d’une référence signale la même espèce, et une tache sans référence reste non identifiée.

Exercices corrigés — Identifier les espèces chimiques

Mesurer pour identifier

Tester et séparer