Utiliser la masse volumique de l'eau - Maxicours

Utiliser la masse volumique de l'eau

Objectifs
  • Connaitre la masse volumique de l’eau liquide dans différentes unités.
  • Comparer la masse volumique de l’eau liquide à celle d’autres corps purs et mélanges.
  • Utiliser la comparaison des masses volumiques pour interpréter un phénomène physique et séparer des constituants d’un mélange hétérogène.
Points clés
  • La masse volumique d’une espèce chimique, notée ρ (rhô), est la masse (en kg) de l’espèce par unité de volume (en m3).
  • ρeau liquide = 1000 kg/m3 = 1000 g/L = 1 g/cm3 = 1 g/mL
  • Une substance A non miscible à l’eau coule dans l’eau si ρA > 1000 kg/m3 et flotte si ρA < 1000 kg/m3.
Pour bien comprendre

1 kg = 1000 g et 1 cm3 = 1 mL

1. Masse volumique
a. Définition de la masse volumique
La masse volumique d’une espèce chimique, notée ρ (rhô), est la masse (en kg) de l’espèce par unité de volume (en m3).

Elle s’exprime donc en kilogramme par mètre cube ( ou ) dans le système International.

Une masse volumique est caractéristique d’une espèce chimique ou d’un matériau.

Le chimiste utilise également d’autres unités.

  • Pour les solides, le gramme par centimètre cube (g/cm3) :
    1 g/cm3 = 1000 kg/m3.
  • Pour les liquides, le gramme par millilitre (g/mL) :
    puisque 1 cm3 = 1 mL, on a 1 g/mL = 1 g/cm3 = 1000 kg/m3.
Exemples
La masse volumique du fer est ρfer = 7900 kg/m3, ce qui signifie que 1 m3 de fer pèse 7900 kg.
Corps

ρ
(en kg/m3)

ρ
(en g/cm3 pour les solides
ou g/mL pour les liquides)
Fer 7900 7,9
Aluminium 2700 2,7
Essence 750 0,75
Éthanol 789 0,789
b. Masse volumique de l'eau liquide
La masse volumique de l’eau liquide est ρ = 1000 kg/m3.

Cela signifie que 1 m3 d’eau liquide pèse 1000 kg, soit 1 tonne.

Remarque
La masse volumique de l’eau solide (glace) est ρglace = 910 kg/m3.

Pour les liquides et les gaz, la masse volumique est souvent exprimée en gramme par litre (g/L ou g·L1).

La masse volumique de l’eau liquide est ainsi ρ = 1000 g/L.

Cela signifie que 1 L d’eau liquide pèse 1000 g, soit 1 kg.

On peut également utiliser les grammes par millilitre (g/mL) ou les grammes par centimètre cube (g/cm3), qui sont des unités équivalentes.

La masse volumique de l’eau liquide est ρ = 1 g/cm3 = 1 g/mL.
2. Utiliser la différence de masse volumique avec celle de l'eau liquide
a. Principe
Une substance (solide ou liquide non miscible à l’eau) flotte sur l’eau si sa masse volumique est plus petite que celle de l’eau.
Une substance (solide ou liquide non miscible à l’eau) coule dans l’eau si sa masse volumique est plus grande que celle de l’eau.
Exemples
  • ρfer = 7900 kg/m3 donc la masse volumique du fer est supérieure à celle de l’eau (ρeau 1000 kg/m3).
    Puisque ρfer > ρeau, le fer coule dans l’eau.
  • L’huile alimentaire est non miscible à l’eau et sa masse volumique est ρhuile alimentaire = 900 kg/m3.
    La masse volumique de cette huile est inférieure à celle de l’eau, donc l’huile flotte sur l’eau.
b. Méthode expérimentale de comparaison

On peut utiliser la différence de masse volumique entre deux liquides non miscibles pour les séparer et extraire l’un des deux liquides.

De nombreuses techniques de séparation et d’extraction de substances chimiques utilisent l’ampoule à décanter.

Lors d’une étape du protocole expérimental, l’ampoule à décanter contient deux liquides non miscibles : un solvant organique (par exemple du cyclohexane) et de l’eau.

Il se forme alors une phase supérieure et une phase inférieure.

  • Si ρsolvant > ρeau alors le solvant est la phase inférieure et l’eau la phase supérieure (le solvant est plus lourd que l’eau).
  • Si ρsolvant < ρeau eau alors le solvant est la phase supérieure et l’eau la phase inférieure (le solvant est plus léger que l’eau).

Deux phases dans une ampoule à décanter
Exemple
Pour extraire du diiode (I2) présent dans une solution aqueuse :
  • on verse du cyclohexane (solvant) dans la solution ;
  • on secoue fortement l’ensemble : le diiode va migrer de la solution vers le solvant ;
  • on laisse décanter dans l’ampoule : il se forme deux phases. L’une est de l’eau, l’autre est le solvant et le diiode.
On a ρcyclohexane = 780 kg/m3. Puisque ρcyclohexane < ρeau, l’eau se trouve dans la phase inférieure et le cyclohexane (avec le diiode) dans la phase supérieure.

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