Fiche de physique - chimie
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IDENTIFICATION D'UNE ESPÈCE CHIMIQUE

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I. Caractérisation et identification d'une espèce chimique

1. Masse volumique et solubilité dans un solvant

a. Masse volumique

Définition
La masse volumique d'un corps de masse m et de volume V est :

\boxed{\mu ~ ou ~ \rho = \dfrac{m}{V}}

* Unités:
m est en kg (généralement g en chimie) ;
V est en m^3 (généralement cm^3 en chimie) ;
\mu ~ ou ~\rho est en kg.m^{-3} (généralement g.cm^{-3} en chimie).

* Remarques :
Lorsqu'on mélange deux liquides non miscibles, celui qui a la masse volumique la plus faible sera au-dessus de celui dont la masse volumique lui est supérieure (par exemple : l'huile surnage l'eau) ;
L'air est un mélange de plusieurs gaz (80% de N_2 et 20% de O_2) qui a pour masse volumique \rho _{air} = 1,2 ~ kg.m^{-3} dans des conditions normales de pression et de température (20°C).

b. Solubilité dans un solvant

Définition
La solubilité s d'une espèce chimique est la masse maximale m_{max} qu'on est en mesure de dissoudre dans un volume V de solvant donné.

* Unités:
m_{max} est en kg (généralement g en chimie) ;
V est en m^3 (généralement cm^3 en chimie) ;
s est en kg.m^{-3} (généralement g.cm^{-3} en chimie).

* Remarque : au-delà de cette valeur, le mélange devient hétérogène : la solution est dite saturée et le surplus d'espèce chimique introduit n'est pas dissout.

2. Températures de changements d'état

La notion de température de changement d'état est abordée dans la fiche suivante : fiches Les transformations physiques .

3. Tests de mise en évidence d'une espèce chimique

Les principaux tests de reconnaissance à connaître sont synthétisés dans le tableau suivant :

Identification d'une espèce chimique : image 6

II. Chromatographie sur couche mince (CCM)

1. Principe de la chromatographie

* Procédé expérimental :
On prend du papier filtre.
On trace un trait dans le sens de la largeur a 1cm du bord.
Sur ce trait, on place 3 colorants alimentaires de couleurs différentes : jaune, vert et rouge.
Le papier filtre est appelé chromatogramme.
On place le papier dans une cuve à élution qui contient 0,5 cm d'eau salée (appelé éluant).

Identification d'une espèce chimique : image 1

On attend une vingtaine de minutes (phase d'élution).
On obtient quelque chose ayant cette allure :

Identification d'une espèce chimique : image 2

* Observation :
Les espèces contenues dans chaque colorant sont localisées à différentes hauteurs sur le papier filtre (chromatogramme).
Les colorants alimentaires sont plus ou moins entraînés par l'eau salée (éluant).
On constate que le colorant vert est un mélange de colorant jaune et de colorant bleu.

* Conclusion :
La chromatographie permet la séparation des constituants d'un mélange.
L'éluant monte par capillarité le long du papier filtre en entraînant avec lui les espèces chimiques - suivant leur solubilité - à différentes hauteurs.

* Remarques :
Deux espèces migrant à la même hauteur (ou niveau) sont identiques.
Dans le cas d'espèces chimiques incolores, il est nécessaire de procéder à une révélation pour les rendre visibles (par exemple à l'aide d'une lampe UV).

2. Application : chromatographie de l'essence d'orange

* Procédé expérimental :
Au lieu de prendre du papier filtre, on va prendre une plaque d'aluminium dont la surface est recouverte de silice : c'est le chromatogramme.
On trace un trait dans le sens de la largeur a 1 cm du bord.
Sur ce trait, on place 3 substances : limonène (jaune), citral (vert) et de l'essence d'orange (rouge).
On prendra comme éluant (mélange de solvant) du cyclohexane plus de l'acétone.
On mettra un couvercle (pour que le vapeur de l'éluant remplisse la cuve) et on attendra.
C'est ce qu'on appelle une chromatographie sur couche mince (CCM).

Identification d'une espèce chimique : image 3


L'élution va se produire : l'éluant va entraîner pendant sa migration les substances constituant le mélange. Il les entraîne avec une vitesse d'autant plus grande que les substances sont solubles dans l'éluant.

Après une vingtaine de minutes, on peut dire que le chromatogramme est lisible.
Cependant, étant donné que les substances qui ont été entraînées sont incolores, on va plonger le chromatogramme dans une solution de permanganate de potassium.
Ensuite le chromatogramme sera violet mais les substances qui auront migré seront blanches, jaunâtres.
On va obtenir à peu près cela :

Identification d'une espèce chimique : image 4


* Observations et conclusions :
3 substances (3 taches blanches au dessus de l'essence d'orange) au moins constituent l'essence d'orange (au moins car il peut y en avoir d'autres mais elles ne sont pas apparues, n'étant pas solubles dans l'éluant utilisé).
Un des constituants du mélange est à la même hauteur que la tache du limonène.
Donc le limonène fait partie des substances qui constituent l'essence d'orange.
Pareil pour le citral, un constituant de l'essence d'orange est à la même hauteur que la tache de citral.
Donc le citral fait partie des substances qui constituent l'essence d'orange.

3. Calcul du rapport frontal

* Reprenons le chromatogramme précédent :

Identification d'une espèce chimique : image 5


Le trait qui est tout en haut s'appelle le front de l'éluant : c'est la hauteur à laquelle l'éluant est monté (on le laisse monter jusqu'à 0,5 cm du bord environ).
h = hauteur de la tache de limonène en partant de la ligne de dépôt (où sont les 3 espèces chimiques).
H = hauteur qui part de la ligne de dépôt jusqu'au front de l'éluant.

Le rapport frontal s'écrira donc \boxed{R_f = \dfrac{h}{H}}.

Il permet d'identifier les constituants d'un mélange en comparant le rapport obtenu aux valeurs d'un tableau dans lequel plusieurs résultats de chromatogrammes ont été consignés, avec plusieurs éluants, et ce pour chaque espèce chimique.

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