Identifier une espèce chimique - Tests physiques - Maxicours

Identifier une espèce chimique - Tests physiques

Objectifs
  • Identifier, à partir de valeurs de référence, une espèce chimique par ses températures de changement d’état ou sa masse volumique.
  • Distinguer un mélange d’un corps pur à partir de données expérimentales.
  • Connaitre le principe d’une chromatographie sur couche mince et savoir analyser un chromatogramme.
Points clés
  • Les températures de changement d’état, la masse volumique, la densité, l’indice de réfraction sont des exemples de caractéristiques physiques d’un corps pur.
  • Si une solution inconnue a l’une de ces grandeurs identiques à celle d’un corps pur, alors la solution inconnue est ce corps pur.
  • Si dans un mélange, on soupçonne la présence d’un élément chimique et qu’on en dispose au laboratoire, alors on peut certifier sa présence grâce à une chromatographie sur couche mince.
Pour bien comprendre
  • Mélanges et corps purs
  • Les changements d’états
1. Caractéristiques physiques

Un corps pur possède des caractéristiques physiques qui lui sont propres. Ces valeurs sont la « carte d’identité » de l’espèce chimique.
Les températures de changement d’état, la masse volumique ou la densité sont des exemples de caractéristiques physiques.

Remarque 
Si une substance a des mesures physiques qui ne sont pas référencées, alors il s’agit d’un mélange.
a. Températures de changement d'état
La température d'ébullition Téb est la température sous laquelle se font les changements d'état « vaporisation » et « liquéfaction ».
Exemples
À la pression atmosphérique :
  • pour l’eau, on a Téb = 100 °C ;
  • pour le propane, on a Téb = –42,1 °C.
Si une substance entre en ébullition à 42,1 °C, alors c’est du propane.
La température de fusion Tf est la température sous laquelle se font les changements d'état « fusion » et « solidification »
Exemples
À la pression atmosphérique :
  • pour l’eau, on a Tf = 0 °C ;
  • pour le plomb, on a Tf = 327,5 °C.
Si un métal entre en fusion à 327,5 °C, alors c’est du plomb.
Remarque
Les valeurs données sans précision signifient qu’elles ont été mesurées sous pression atmosphérique normale et pour des espèces chimiques pures.
b. Masse volumique
La masse volumique ρ (ou plus rarement μ) est la masse qu'occupe 1 m3 de l'espèce chimique étudiée.

Soit m la masse qu'occupe un volume V.
La masse volumique ρ est donnée par la relation suivante.

 

avec :
  • ρ (rhô) la masse volumique de ce corps, en kilogramme par mètre cube (kg/m3 ou kg·m3
  • m la masse d’un corps, en kilogramme (kg) 
  • V le volume occupé par ce corps (solide, liquide ou gazeux), en mètre cube (m3)
Remarque 
La masse volumique peut être exprimée dans d’autres unités : en g·L1 ou en g·cm3.
On peut alors utiliser l’égalité 1 kg·m3 = 1 g·L1 = 0,001 g·cm3.

On obtient le même nombre en divisant des grammes par des litres qu’en divisant des kilogrammes par des mètres cubes.

Exemples
  • Pour l'eau, on a ρeau = 1000 kg·m3.
  • Pour l’éthanol ρéthanol = 789 kg·m3.

Si un liquide a une masse volumique de 789 kg·m3, alors il s’agit d’éthanol.

2. Chromatographie sur couche mince

Si dans un mélange, on soupçonne la présence d’un élément chimique et qu’on en dispose au laboratoire, alors on peut certifier sa présence grâce à une chromatographie sur couche mince.

La chromatographie sur couche mince permet de séparer et d'identifier les espèces chimiques présentes dans un mélange homogène.

a. Principe de la chromatographie sur couche mince

Le principe de cette technique repose sur la différence de vitesse de migration des espèces chimiques.

  1. Le mélange à analyser est déposé sur une phase fixe (une place de silice par exemple). Le bas de cette plaque trempe dans une phase liquide, appelée éluant (mélange de solvants).
  2. Lors de la montée de l'éluant par capillarité (phénomène d'élution), la phase dite mobile entraine les différentes espèces chimiques contenues dans le mélange à des vitesses différentes.
  3. Les espèces se séparent donc et forment des taches, chaque tache correspondant à une espèce chimique différente.

Montage d’une chromatographie sur couche mince
b. Application à l'identification d'espèces chimiques

Cette technique peut être utilisée pour l'identification d'espèces chimiques.

Des espèces chimiques identiques migrent à des hauteurs identiques sur une même plaque.
Il suffit donc de déposer, à côté du mélange à analyser, une ou plusieurs espèces chimiques dites de référence, que l'on suppose présentes dans le mélange et dont on connait les caractéristiques de migration.

On peut alors identifier une espèce chimique par comparaison de ces dépôts de migration avec ceux d'une espèce de référence.
L'ensemble (plaque et dépôts révélés) s'appelle un chromatogramme.

Exemple
Trois solutions A, B et C ont été déposées sur une plaque de silice.
Après révélation, on obtient le chromatogramme ci-dessous. Quelles informations nous donne ce chromatogramme ?

Chromatogramme
  • La solution A est constituée d'une seule espèce chimique.
  • La solution B est constituée d'une seule espèce chimique, différente de celle contenue dans A.
  • La solution C est constituée de trois espèces chimiques. Parmi ces trois espèces se trouvent celle présente dans A et celle présente dans B.

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