Karamö, le prof virtuelLeçon 2 sur 16
Corps purs et mélanges (suite)
Je sais distinguer un corps pur simple d'un corps pur composé, interpréter l'électrolyse et la synthèse de l'eau, et calculer la composition en pourcentage d'un mélange.
- 50 min
- 5 exercices corrigés
- 3 schémas
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Définir corps pur simple et corps pur composé
- Décrire l'électrolyse et la synthèse de l'eau et identifier les gaz formés
- Calculer un pourcentage massique ou volumique dans un mélange
- Connaître la composition de l'air
Avant de commencer : La leçon « Corps purs et mélanges » (corps pur, mélange, constantes physiques) ; les notions d'atome, de molécule et d'équation chimique vues au collège.
1Je découvre
Au lycée de Kankan, le professeur de chimie pose sur la table un petit appareil : un récipient d'eau additionnée d'un peu de soude, deux électrodes, deux tubes retournés et une pile. Dès qu'il ferme le circuit, de fines bulles montent le long des électrodes et les tubes se remplissent de gaz.
Alpha remarque tout de suite que les deux tubes ne se remplissent pas à la même vitesse : l'un contient environ deux fois plus de gaz que l'autre. Le professeur approche une allumette enflammée du premier tube : on entend une petite détonation. Il introduit une bûchette qui ne présente plus qu'un point rouge dans le second : elle se rallume vivement.
Alpha est étonné : « Mais l'eau, c'est un corps pur ! Comment un corps pur peut-il donner deux gaz différents ? » Son voisin Ibrahima ajoute : « Et le fer, est-ce qu'on peut aussi le couper en deux corps différents ? »
Tous les corps purs sont-ils de la même sorte, et comment exprimer ce que contient un mélange ?
2Je comprends
1. Corps pur simple et corps pur composé
Dans la leçon précédente, tu as appris qu'un corps pur ne contient qu'une seule espèce chimique. Il y a deux familles de corps purs.
Un corps pur simple est formé d'un seul élément chimique. Ses particules ne contiennent qu'une sorte d'atomes. Exemples : le fer Fe, le cuivre Cu, l'aluminium Al, le carbone C, le dioxygène O2, le dihydrogène H2, le diazote N2, l'ozone O3.
Un corps pur composé est formé d'au moins deux éléments chimiques différents, toujours unis dans les mêmes proportions. Exemples : l'eau H2O (hydrogène et oxygène), le dioxyde de carbone CO2, le chlorure de sodium NaCl, l'alumine Al2O3 extraite de la bauxite de Boké, le saccharose C12H22O11.
Un corps pur composé peut être décomposé par une réaction chimique en corps plus simples. Un corps pur simple ne peut pas être décomposé en corps plus simples par une réaction chimique.
Attention : un mélange de fer et de soufre en poudre n'est pas un corps composé. Les deux corps gardent leurs propriétés (un aimant attire le fer) et on peut les mettre en n'importe quelles proportions. Si on chauffe le mélange, une réaction se produit et donne un corps nouveau, le sulfure de fer FeS, qui n'est plus attiré par l'aimant : c'est un corps composé.
- Proportions quelconques
- Le fer reste attiré par l'aimant
- Séparation physique possible
- Proportions fixes
- Plus attiré par l'aimant
- Séparation seulement par réaction chimique
2. L'analyse de l'eau : l'électrolyse
L'expérience d'Alpha s'appelle l'électrolyse de l'eau. On ajoute un peu de soude (ou d'acide sulfurique) pour que l'eau conduise le courant.
- À l'électrode reliée à la borne négative (la cathode) se forme du dihydrogène H2. Test : une flamme approchée provoque une petite détonation.
- À l'électrode reliée à la borne positive (l'anode) se forme du dioxygène O2. Test : il rallume une bûchette incandescente.
- Le volume de dihydrogène est le double du volume de dioxygène : V(H2) = 2 × V(O2).
Équation-bilan : 2H2O → 2H2 + O2.
L'électrolyse est une analyse : on décompose un corps composé en corps simples. Elle prouve que l'eau est un corps pur composé d'hydrogène et d'oxygène.
3. La synthèse de l'eau
On peut faire l'inverse. Dans un eudiomètre (tube épais fermé muni de deux électrodes), on introduit du dihydrogène et du dioxygène, puis on fait jaillir une étincelle : une explosion se produit et des gouttelettes d'eau apparaissent sur les parois.
Équation-bilan : 2H2 + O2 → 2H2O.
L'expérience montre que les gaz réagissent toujours dans le rapport 2 volumes de dihydrogène pour 1 volume de dioxygène. Si on met plus de l'un des deux, l'excès reste sans réagir.
- 1Analyse : l'électrolyse décompose l'eau en dihydrogène (cathode) et dioxygène (anode).
- 2On recueille deux fois plus de volume de dihydrogène que de dioxygène.
- 3Synthèse : une étincelle fait réagir 2 volumes de H₂ avec 1 volume de O₂.
- 4On obtient de l'eau : l'analyse et la synthèse prouvent que l'eau est un corps composé.
4. La composition massique d'un corps composé
Les éléments d'un corps composé sont toujours dans les mêmes proportions en masse. Pour l'eau, avec les masses molaires M(H) = 1 g/mol et M(O) = 16 g/mol : M(H2O) = 2 × 1 + 16 = 18 g/mol.
- Pourcentage d'hydrogène : 218 × 100 ≈ 11,1 \%.
- Pourcentage d'oxygène : 1618 × 100 ≈ 88,9 \%.
Dans 18 g d'eau, il y a donc 2 g d'hydrogène et 16 g d'oxygène : la masse d'oxygène est toujours 8 fois celle de l'hydrogène.
5. La composition d'un mélange
Un mélange n'a pas de composition fixe : on l'exprime par des pourcentages.
Pourcentage massique d'un constituant A : \%m(A) = mAmmélange × 100.
Pourcentage volumique d'un constituant A (surtout pour les gaz et les liquides) : \%V(A) = VAVmélange × 100.
La somme des pourcentages de tous les constituants vaut 100 %.
L'air est un mélange homogène de gaz. Sa composition en volume (air sec) est à peu près :
On retient simplement : l'air contient environ 4/5 de diazote et 1/5 de dioxygène en volume.
Exemple
Pourcentage massique du sel dans une saumure.
Pour préparer une saumure, Fatoumata dissout 60 g de sel dans 440 g d'eau.
Masse du mélange : m = 60 + 440 = 500 g.
%m(sel) = 60 / 500 × 100 = 12 %.
%m(eau) = 440 / 500 × 100 = 88 %. Vérification : 12 + 88 = 100 %.
Exemple
Volume de dioxygène dans une salle de classe.
Une salle de classe mesure 8 m × 6 m × 3 m.
Volume d'air : V = 8 × 6 × 3 = 144 m³.
Volume de dioxygène : V(O₂) = 21 / 100 × 144 = 30,24 m³, soit environ 30 m³.
Volume de diazote : V(N₂) = 78 / 100 × 144 = 112,32 m³, soit environ 112 m³.
Méthode
Pour calculer la composition d'un mélange :
- Je calcule la masse (ou le volume) totale du mélange en additionnant tous les constituants.
- J'applique % = (partie / total) × 100.
- Je vérifie que la somme des pourcentages fait 100 %.
- Pour retrouver une masse ou un volume à partir d'un pourcentage : partie = (% / 100) × total.
3Je retiens
Je retiens
Corps pur simple : un seul élément (Fe, Cu, O₂, H₂, N₂). Corps pur composé : au moins deux éléments en proportions fixes (H₂O, CO₂, NaCl, Al₂O₃).
Un corps composé peut être décomposé chimiquement ; un corps simple non.
Électrolyse de l'eau : 2H₂O → 2H₂ + O₂ ; H₂ à la cathode (−), O₂ à l'anode (+), V(H₂) = 2 V(O₂).
Tests : H₂ détone à la flamme ; O₂ rallume une bûchette incandescente.
Synthèse de l'eau : 2H₂ + O₂ → 2H₂O. Dans l'eau, m(O) = 8 × m(H).
Pourcentage massique : %m = mA / m(mélange) × 100 ; pourcentage volumique : %V = VA / V(mélange) × 100.
Air sec en volume : environ 78 % N₂, 21 % O₂, 1 % d'autres gaz.
4Erreurs fréquentes
- Confondre corps simple et corps pur : l'eau est un corps pur, mais un corps pur composé, pas un corps simple.
- Croire qu'un mélange de deux éléments est un corps composé : fer et soufre en poudre restent un mélange tant qu'on ne les a pas fait réagir.
- Inverser les électrodes : le dihydrogène (le gaz le plus abondant) se forme à la cathode, reliée à la borne négative.
- Diviser par la masse du solvant au lieu de la masse totale : dans 60 g de sel + 440 g d'eau, on divise par 500 g, pas par 440 g.
5Je m’exerce
1Exercice 1
Classe en corps simples ou corps composés : Fe ; H2O ; O2 ; NaCl ; Cu ; CO2 ; N2 ; Al2O3 ; O3.
Voir le corrigéCacher le corrigé
- Corps simples (un seul élément) : Fe, O2, Cu, N2, O3.
- Corps composés (plusieurs éléments) : H2O, NaCl, CO2, Al2O3.
2Exercice 2
Lors d'une électrolyse de l'eau, on recueille 24 mL de gaz dans le tube relié à la borne négative.
a) Nomme ce gaz et donne son test d'identification.
b) Quel volume de gaz recueille-t-on dans l'autre tube ? Nomme ce gaz.
c) Écris l'équation-bilan de l'électrolyse.
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a) Le gaz recueilli à la borne négative (cathode) est le dihydrogène H2. Test : une flamme approchée de l'ouverture du tube provoque une petite détonation.
b) Le volume de dioxygène est la moitié de celui du dihydrogène : V(O2) = 242 = 12 mL. C'est du dioxygène, recueilli à l'anode.
c) 2H2O → 2H2 + O2.
3Exercice 3
On veut réaliser la synthèse de l'eau dans un eudiomètre avec 50 cm³ de dihydrogène et 40 cm³ de dioxygène.
a) Quel volume de dioxygène réagit avec les 50 cm³ de dihydrogène ?
b) Quel gaz reste en excès, et quel volume ?
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a) Les gaz réagissent dans le rapport 2 volumes de H2 pour 1 volume de O2 : 50 cm³ de H2 réagissent avec 502 = 25 cm³ de O2.
b) Le dioxygène est en excès : il en reste 40 - 25 = 15 cm³.
4Exercice 4
Un orpailleur de Siguiri obtient, après lavage, 250 g de sable noir contenant 2,5 g d'or.
a) Calcule le pourcentage massique d'or dans ce sable.
b) Quelle masse de ce sable faudrait-il pour obtenir 10 g d'or ?
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) \%m(or) = 2,5250 × 100 = 1 \%.
b) Il faut une masse de sable m telle que 1 \% de m vaille 10 g : m = 10 × 1001 = 1 000 g, soit 1 kg de sable.
5Exercice 5
(Synthèse) Un flacon de 1,5 L d'eau minérale indique sur l'étiquette : calcium 12 mg/L, magnésium 6 mg/L.
a) L'eau minérale est-elle un corps pur ? Justifie.
b) Calcule la masse de calcium et la masse de magnésium dans le flacon.
c) L'eau pure est un corps composé. Calcule la masse d'hydrogène et la masse d'oxygène contenues dans 90 g d'eau pure.
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) Non : l'eau minérale contient de l'eau et des sels minéraux dissous (calcium, magnésium…). C'est un mélange homogène.
b) Masse de calcium : 12 × 1,5 = 18 mg. Masse de magnésium : 6 × 1,5 = 9 mg.
c) Dans 18 g d'eau, il y a 2 g d'hydrogène et 16 g d'oxygène. 90 g, c'est 9018 = 5 fois plus : m(H) = 5 × 2 = 10 g et m(O) = 5 × 16 = 80 g. Vérification : 10 + 80 = 90 g.
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
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