Classer, mesurer, identifier, séparer : du verre d'eau jusqu'à la couronne du roi Hiéron. Cherche d'abord seul : les corrections sont masquées et détaillent chaque étape.
Classer chaque système : corps pur simple, corps pur composé, mélange homogène ou mélange hétérogène (à l'œil nu).
Eau distillée ; vinaigrette ; dioxygène d'une bouteille de plongée ; eau sucrée ; jus d'orange avec pulpe ; fil de cuivre ; sel de cuisine (chlorure de sodium) pur ; air filtré.
Correction
Méthode
Une seule espèce chimique → corps pur (simple si un seul élément, composé sinon). Plusieurs espèces → mélange (homogène si une seule phase visible).
Réponses
Corps purs simples : dioxygène \(\text{O}_2\), cuivre \(\text{Cu}\).
Corps purs composés : eau distillée \(\text{H}_2\text{O}\), chlorure de sodium \(\text{NaCl}\).
Mélanges homogènes : eau sucrée, air filtré.
Mélanges hétérogènes : vinaigrette (huile et vinaigre se séparent), jus d'orange avec pulpe.
Erreur à éviter
Classer l'eau sucrée parmi les corps purs parce qu'elle est limpide : homogène ne veut pas dire pur.
Exercice 2 — Calculer une masse volumiqueMasse volumique★★★★★
Un volume \(V = 30{,}0\ \text{mL}\) d'un liquide incolore a une masse \(m = 23{,}7\ \text{g}\).
Calculer sa masse volumique en g/mL, puis en kg/m³.
Calculer sa densité.
Peut-on identifier ce liquide avec cette seule mesure ?
Non : l'éthanol (0,79 g/mL), l'acétone et le cyclohexane (0,78 g/mL) ont des masses volumiques trop proches. Il faut une deuxième grandeur, par exemple la température d'ébullition (exercice 9).
Erreur à éviter
Donner une densité avec une unité : c'est un rapport de deux masses volumiques, elle n'en a pas.
Exercice 3 — Qui flotte sur qui ?Densité★★★★★
Dans une éprouvette, on verse délicatement du glycérol, de l'eau colorée et du cyclohexane. Le cyclohexane ne se mélange pas à l'eau ; on attend assez peu pour que le glycérol et l'eau ne se mélangent pas encore.
Dans quel ordre les trois liquides se superposent-ils, de bas en haut ? Justifier.
Ce système est-il un mélange homogène ou hétérogène ?
Un glaçon (masse volumique 0,92 g/mL) est lâché dans l'éprouvette. Où s'arrête-t-il ?
Correction
Méthode
Le liquide le plus dense se place en bas : on compare les masses volumiques (ou les densités).
Réponses
1. De bas en haut : glycérol (1,26 g/mL), eau (1,00 g/mL), cyclohexane (0,78 g/mL).
2. Hétérogène : on distingue trois phases.
3. \(0{,}78 < 0{,}92 < 1{,}00\) : le glaçon traverse le cyclohexane et flotte à la surface de l'eau, à l'interface entre les deux liquides.
Erreur à éviter
Penser que le liquide versé en premier reste en bas : c'est la masse volumique qui décide, pas l'ordre de versement.
Exercice 4 — Quatre tubes, quatre testsTests chimiques★★★★★
Quatre tubes A, B, C et D contiennent chacun une seule des espèces : eau, dihydrogène, dioxygène, dioxyde de carbone. Observations :
tube A : une bûchette incandescente se rallume ;
tube B : du sulfate de cuivre anhydre blanc devient bleu ;
tube C : une flamme approchée produit une petite détonation ;
tube D : le gaz, mis en contact avec de l'eau de chaux, la trouble.
Identifier le contenu de chaque tube.
Correction
Réponses
A : dioxygène \(\text{O}_2\) ; B : eau \(\text{H}_2\text{O}\) ; C : dihydrogène \(\text{H}_2\) ; D : dioxyde de carbone \(\text{CO}_2\).
Erreur à éviter
Conclure du test au sulfate de cuivre que l'eau est pure : il montre seulement la présence d'eau.
Exercice 5 — Corps pur ou mélange ?Exploiter des mesures★★★★★
On chauffe lentement deux solides blancs et on relève la température toutes les 30 s.
\(t\) (min)
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
Solide A (°C)
60
72
80
80
80
80
87
95
Solide B (°C)
50
58
62
65
67
70
78
86
Pour les deux solides, la fusion commence vers 1 min et se termine vers 2,5 min.
Lequel est un corps pur ? Justifier.
Le naphtalène fond à 80 °C. Que peut-on dire du solide A ?
Correction
Réponses
1. Pendant la fusion, la température du solide A reste constante (palier à 80 °C) : c'est un corps pur. Celle du solide B augmente de 62 à 70 °C : il fond sur une plage de températures, c'est un mélange.
2. Sa température de fusion correspond à celle du naphtalène : A est probablement du naphtalène. Pour le confirmer, il faudrait une deuxième grandeur (masse volumique, CCM…).
Erreur à éviter
Confondre le palier (température constante pendant la fusion) avec la valeur de la température : c'est la constance qui signale un corps pur.
Exercice 6 — Composition d'un bijou et d'une salleComposition d'un mélange★★★★★
Une bague en or 18 carats a une masse de 4,0 g. L'or 18 carats contient 75 % d'or en masse. Calculer la masse d'or de la bague.
L'air contient 21 % de dioxygène et 78 % de diazote en volume. Calculer le volume de chacun de ces gaz dans une salle de classe de 50 m³.
Il reste environ 1 % du volume (0,5 m³) pour les autres gaz, principalement l'argon.
Erreur à éviter
Multiplier par 21 au lieu de 0,21 : un pourcentage se divise par 100.
Exercice 7 — Les colorants d'un bonbonChromatographie★★★★★
On réalise une CCM avec trois dépôts : le colorant jaune E102, le colorant bleu E131 et l'extrait M d'un bonbon vert. Après élution, le front de l'éluant est à 8,0 cm de la ligne de dépôt.
E102 : une tache à 2,8 cm ;
E131 : une tache à 5,6 cm ;
M : deux taches, à 2,8 cm (jaune) et à 5,6 cm (bleue).
Calculer les rapports frontaux des deux colorants.
Quels colorants le bonbon contient-il ? Est-ce cohérent avec sa couleur ?
Une seule tache pour E102 prouve-t-elle que ce colorant est pur ?
2. Les taches de M ont les mêmes \(R_f\) que E102 et E131 (même plaque, même éluant) : le bonbon contient E102 et E131. Jaune + bleu donne bien du vert.
3. Non : deux espèces peuvent migrer à la même hauteur. Une tache unique est compatible avec un corps pur, sans le prouver ; on peut confirmer avec un autre éluant.
Erreur à éviter
Mesurer les distances à partir du bas de la plaque : on les mesure à partir de la ligne de dépôt.
Exercice 8 — Le compte rendu de LinaEsprit critique★★★★★
Corriger chaque affirmation.
« Ce jus est 100 % pur jus, c'est donc un corps pur. »
« L'eau salée est limpide et incolore : elle est homogène, donc pure. »
« J'ai trouvé \(\rho = 0{,}79\), c'est forcément de l'éthanol. »
« Pour séparer le sable de l'eau, j'utilise une ampoule à décanter ; pour récupérer le sel de l'eau salée, je filtre. »
Correction
Réponses
1. Un jus contient de l'eau, des sucres, des acides, des vitamines… : c'est un mélange. « Pur » a un sens courant (sans ajout) différent du sens chimique (une seule espèce).
2. Homogène ne veut pas dire pur : l'eau salée contient de l'eau et des ions dissous, c'est un mélange homogène.
3. Il manque l'unité (g/mL), et la valeur est compatible avec l'éthanol mais aussi, aux incertitudes près, avec l'acétone ou le cyclohexane : il faut une deuxième grandeur.
4. Le sable se sépare par filtration (ou décantation simple dans un bécher) ; le sel dissous traverse le filtre : on le récupère par évaporation de l'eau.
Erreur à éviter
Choisir une technique de séparation sans se demander quelle propriété elle exploite (taille, masse volumique, température d'ébullition…).
Exercice 9 — Enquête sur deux flaconsIdentifier une espèce★★★★★
Deux flacons sans étiquette contiennent chacun un liquide incolore et pur.
Flacon 1. Une fiole jaugée de 50,0 mL pèse 32,45 g vide et 95,45 g remplie du liquide. Placé au congélateur à −20 °C, ce liquide se solidifie ; à 25 °C, il est liquide.
Flacon 2. Masse volumique mesurée : 0,79 g/mL. Chauffé, il bout à 78 °C.
Calculer la masse volumique du liquide du flacon 1 et l'identifier. Les autres observations sont-elles cohérentes ?
Identifier le liquide du flacon 2 en justifiant le rôle de chaque mesure.
C'est la masse volumique du glycérol. Cohérence : le glycérol fond à 18 °C, il est donc solide à −20 °C et liquide à 25 °C.
Question 2
Raisonnement
La masse volumique (0,79 g/mL) élimine l'eau et le glycérol, mais laisse trois candidats : éthanol, acétone, cyclohexane. La température d'ébullition (78 °C) tranche : acétone 56 °C, cyclohexane 81 °C, éthanol 78 °C. Le flacon 2 contient très probablement de l'éthanol.
Erreur à éviter
Prendre la masse de la fiole pleine comme masse du liquide : il faut retrancher la masse de la fiole vide (la « tare »).
Exercice 10 — La couronne du roi HiéronProblème · modélisation★★★★★
Selon la légende, le roi Hiéron de Syracuse soupçonnait son orfèvre d'avoir mélangé de l'argent à l'or de sa couronne. Archimède aurait mesuré le volume de la couronne en la plongeant dans l'eau. On imagine les valeurs suivantes : masse de la couronne 1,00 kg ; volume d'eau déplacée 60,0 mL. Données : \(\rho_{or} = 19{,}3\ \text{g/cm}^3\) ; \(\rho_{argent} = 10{,}5\ \text{g/cm}^3\).
Calculer la masse volumique de la couronne. Est-elle en or pur ?
On suppose qu'elle ne contient que de l'or et de l'argent, et que le volume de la couronne est la somme des volumes d'or et d'argent. En notant \(m\) la masse d'or (en g), montrer que \(\dfrac{m}{19{,}3} + \dfrac{1000 - m}{10{,}5} = 60{,}0\).
Résoudre cette équation. Calculer le pourcentage massique d'or. Sachant que 24 carats correspondent à de l'or pur, à combien de carats la couronne correspond-elle ?
Environ 811 g d'or et 189 g d'argent : 81 % d'or, soit environ 19,5 carats. L'orfèvre aurait remplacé près d'un cinquième de l'or par de l'argent.
Erreur à éviter
Faire la moyenne des masses volumiques \((19{,}3 + 10{,}5)/2\) : ce n'est valable que pour des volumes égaux d'or et d'argent, ce qui n'est pas le cas.