012 – Propriétés physiques et identification des produits

Il n'y a pas deux substances pures qui partagent le même ensemble de propriétés physiques. Chacune possède son propre point d'ébullition et sa propre densité, et ces constantes sont répertoriées dans des tables de référence que les chimistes consultent chaque jour. C'est pourquoi une bouteille non étiquetée n'est jamais identifiée au pifomètre : mesurer une ou deux propriétés physiques bien choisies et comparer les résultats aux valeurs connues suffit généralement à nommer une substance. La même approche est utilisée dans le contrôle de la qualité, dans les laboratoires médico-légaux et lors de la vérification de la pureté des produits chimiques manufacturés.

Deux propriétés caractérisent ce laboratoire. Le point d'ébullition est la température à laquelle la pression de vapeur d'un liquide est égale à la pression atmosphérique environnante ; pendant qu'un liquide bout, sa température cesse d'augmenter, car la chaleur fournnie est consommée par le changement d'état plutôt que par le réchauffement du liquide. La masse volumique est le rapport de la masse au volume, ρ = m/V. C'est une propriété intensive — un grand fragment et un petit donnent la même valeur — et pour un solide irrégulier, le volume est le plus facilement mesuré par déplacement d'eau, idée attribuée à Archimède.

Dans ce laboratoire, vous identifierez quatre substances inconnues. Deux liquides inconnus sont chauffés sur des plaques chauffantes réglées à 105 °C tandis que des thermomètres enregistrent leur température : le palier que chaque liquide atteint correspond à son point d'ébullition, et son nom en découle. Deux solides inconnus sont ensuite pesés sur la balance électronique et immergés dans un vase d'aussière plein, l'eau déplacée étant recueillie dans une éprouvette graduée ; la masse et le volume réunis donnent la masse volumique, et la masse volumique donne l'identité.

Objectifs Éducatifs

Familiarisation avec l'environnement du laboratoire

• Localiser et utiliser l'équipement d'une paillasse de chimie humide : plaques chauffantes, supports universels et pinces, agitateurs magnétiques, balance électronique, vase de trop-plein et bac de récupération.

Utilisation d'équipements de protection et conduite de sécurité en laboratoire

• Portez l'équipement de protection approprié pour la manipulation de liquides proches de l'ébullition et jetez les échantillons utilisés dans le bac de récupération.
• Expliquez pourquoi les doigts ne doivent pas toucher l'eau lors d'une mesure de déplacement : tout objet immergé ajoute son propre volume et fausse le résultat.

Mesure du volume et de la masse

• Mesurez les volumes de liquide au niveau du ménisque à l'aide de l'éprouvette graduée appropriée.
• Pesez les solides sur une balance électronique à l'aide d'une barquette de pesée et enregistrez chaque mesure avec son unité.

Détermination d'un point d'ébullition

• Assembler un dispositif de chauffage avec un thermomètre fixé par une pince, un barreau aimanté et un enregistrement chronométré de la température.
• Identifiez le palier de température qui marque l'ébullition, et utilisez-le — et non le bullage lui-même — comme point d'ébullition mesuré.

Détermination de la masse volumique par déplacement d'eau

• Mesurer le volume d'un solide irrégulier à partir de l'eau qu'il chasse d'un vase trop-plein.
• Calculer la masse volumique sous la forme ρ = m/V à partir d'une masse mesurée et d'un volume déplacé.

Identification des substances à partir des propriétés physiques

• Comparez un point d'ébullition ou une densité mesurée aux valeurs de référence et justifiez l'identification.
• Énoncez les limites de la comparaison : à quel point deux valeurs de référence peuvent être proches avant qu'une seule propriété ne sépare plus les candidats.

Protocole

Identification de liquides inconnus

1. Mesurez précisément 50 mL du liquide inconnu 1 à l'aide de l'éprouvette graduée de 50 mL.
2. Versez le liquide contenu dans l'éprouvette graduée dans un bécher de 100 mL étiqueté A.
3. Rincez l'éprouvette graduée.
4. Répétez les étapes 1 à 3 avec le liquide inconnu 2, avec le bécher B.
5. Placez le bécher A sur la plaque chauffante de gauche et le bécher B sur la plaque chauffante de droite.
6. Placez une barre d'agitation magnétique à l'intérieur de chaque bécher.
7. Fixez une pince universelle aux supports au-dessus du centre de chaque bécher.
8. Placez un thermomètre dans chaque bécher en les fixant aux pinces attachées aux supports universels.
9. Démarrez le chronomètre.
10. Démarrez les agitateurs magnétiques.
11. Ajustez la température des plaques chauffantes à 105 °C.
12. Dans le tableau des résultats, vérifiez la modification de la température.
13. Selon la température d'ébullition, quels pourraient être les liquides inconnus ?
14. Lorsque la température d'ébullition maximale pour chaque bécher a été atteinte, arrêtez les agitateurs magnétiques.
15. Arrêtez le chronomètre.
16. Abaissez la température de la plaque chauffante à 15°C.
17. Détachez les thermomètres des pinces.
18. Retirez les barres d'agitation magnétiques des béchers.
19. Vider le contenu des béchers dans le bac de récupération.

Identification de solides inconnus

1. À l'aide de la pince, placez 5 morceaux de solide inconnu 1 sur la balance à l'aide de la coupelle de pesée. Enregistrez le poids total des 5 morceaux.
2. En utilisant l'eau du robinet, remplissez un récipient à trop-plein jusqu'à sa capacité maximale avant le débordement (500 mL). Laissez l'excès d'eau couler dans l'évier.
3. Placez la cuve de trop-plein sur le comptoir juste à côté de la éprouvette graduée de 25 mL de manière à ce que cette dernière soit positionnée sous l'ouverture de la cuve de trop-plein.
4. Vider doucement les morceaux de solide 1 contenus dans la nacelle de pesée dans le récipient de trop-plein. Attention ! Les doigts ne doivent pas entrer en contact avec l'eau afin de ne pas fausser les résultats.
5. En utilisant le trop-plein du vase de trop-plein et le ménisque dans l'éprouvette graduée, déterminez le volume du solide 1.
6. Attendez que l'écoulement s'arrête complètement.
7. Enregistrer le volume occupé. Avec la masse des pièces pesées à l'étape 1, vous pourrez ainsi calculer la masse volumique.
8. À l'aide de la pince, retirez les morceaux de solide 1 du vase de trop-plein et jetez-les dans le bac de récupération.
9. Vider le liquide contenu dans la éprouvette graduée de 25 ml dans le bac de récupération.
10. Utilisez l'eau du robinet pour remplir à nouveau le récipient de débordement jusqu'à sa pleine capacité avant le débordement (500 mL). Laissez l'excès d'eau s'écouler dans l'évier.
11. Replacez le vase d'débordement sur le comptoir juste à côté de la éprouvette graduée de 25 mL de manière à ce que cette dernière soit positionnée sous l'ouverture d'débordement du vase d'débordement.
12. À l'aide de la pince, placez 5 morceaux du solide inconnu 2 sur la balance en utilisant la coupelle de pesée. Enregistrez le poids total des 5 morceaux.
13. Videz délicatement les solides 2 du bateau de pesée dans le récipient de trop-plein. Attention ! Les doigts ne doivent pas entrer en contact avec l'eau afin de ne pas fausser les résultats.
14. En utilisant le débordement du vase de trop-plein et le ménisque dans la éprouvette graduée, déterminez le volume du solide 2.
15. Enregistrez le volume occupé. Avec le poids des morceaux pesés à l'étape 12, vous pourrez ainsi calculer la masse volumique.
16. Vous pourrez ainsi identifier les 2 solides inconnus grâce à leur densité.

Résultats attendus

Partie A — les liquides inconnus. Les deux béchers sont chauffés sur des plaques réglées à 105 °C, juste au-dessus du point d'ébullition de l'eau, de sorte que chaque liquide atteint finalement un palier qu'il ne peut pas dépasser. Les températures des paliers constituent l'identification.

Un liquide entre en ébullition lorsque sa pression de vapeur est égale à la pression atmosphérique qui règne au-dessus de lui. À partir de ce moment, la chaleur fournie par la plaque chauffante sert à transformer le liquide en vapeur plutôt qu’à faire monter la température ; ainsi, la température indiquée par le thermomètre cesse d’augmenter — on observe un plateau — même si la plaque est réglée sur une température supérieure de 5 °C. Comme le liquide inconnu #2 bout à 78 °C, bien en dessous de 100 °C, c'est lui qui commence à bouillir en premier ; le fait d'observer quel bécher bout le plus tôt constitue en soi une preuve, et les valeurs du plateau permettent ensuite de confirmer l'identification.

Partie B — les solides inconnus. Cinq pièces de chaque solide sont pesées, puis plongées dans un vase de débordement rempli à ras bord (500 mL) ; l'eau qu'elles refoulent s'écoule dans l'éprouvette graduée de 25 mL, donnant directement le volume des pièces.

La relation déterminante est ρ = m/V. Pour le solide #1 : ρ = 14,5 g ÷ 5,4 ml = 2,7 g/ml, ce qui correspond à la densité de référence du carbonate de calcium (2,71 g/ml) dans les limites de la précision de lecture du cylindre. Pour le solide #2 : ρ = 63,75 g ÷ 12,2 mL = 5,2 g/mL, ce qui correspond à l'oxyde de fer(III) dont la densité est de 5,24 g/mL. La densité est une grandeur intensive ; c’est pourquoi cinq morceaux donnent la même valeur qu’un seul : l’utilisation de cinq morceaux permet simplement de rendre la masse et le volume déplacé suffisamment importants pour permettre une lecture précise.

La méthode du déplacement fonctionne parce qu’un solide immergé repousse exactement son propre volume d’eau — c’est là la découverte d’Archimède. Elle nécessite que le solide coule et soit pratiquement insoluble, ce qui est le cas de ces deux substances. Elle explique également l’avertissement du protocole concernant les doigts : tout autre élément entrant dans l’eau ajoute son propre volume au débordement et fausse la mesure. Vous remarquerez également que l’eau prend une teinte orange après l’ajout du solide inconnu #2 : de fines particules d’oxyde de fer(III), le pigment de la rouille, sont en suspension dans l’eau. La couleur est un indice qualitatif utile, mais c’est la densité qui constitue la preuve.

Résumé du devoir par tranche d'âge

Classe de 3e à la 2de

• Focalisation propriétés physiques comme identifiants, et mesure minutieuse avec les unités correctes.
• Activités : mesurer les volumes et les masses ; observer les deux liquides lorsqu'ils chauffent et enregistrer les températures de palier ; introduire les solides pesés dans le vase trop-plein et lire le volume déplacé ; calculer chaque masse volumique avec ρ = m/V et associer les quatre inconnues aux valeurs de référence.

11e année

• Focalisation le traitement quantitatif de l'ébullition et de la densité.
• Activités : Tracez le graphique de la température en fonction du temps pour les deux béchers et expliquez le palier en fonction de l'énergie absorbée lors du changement d'état ; expliquez pourquoi la plaque est réglée à 105 °C ; conservez le nombre correct de chiffres significatifs dans les deux calculs de masse volumique ; expliquez pourquoi cinq morceaux sont utilisés plutôt qu'un.

12e année / Niveau universitaire

• Focalisation identification d'un bien unique et quand un second bien est nécessaire.
• Activités : Dépendance des points d'ébullition à la pression : Le point d'ébullition d'un liquide dépend directement de la pression externe exercée sur sa surface. Selon l'équation de Clausius-Clapeyron, lorsque la pression augmente, le point d'ébullition augmente également, car il faut davantage d'énergie thermique (une température plus élevée) pour que la pression de vapeur du liquide égale la pression externe. Inversement, une diminution de la pression (par exemple en altitude) réduit le point d'ébullition. Insuffisance de la densité seule et test de confirmation : La densité à elle seule ne peut pas séparer de manière fiable deux candidats si ceux-ci possèdent des densités similaires ou identiques dans les conditions de mesure (par exemple, à température et pression ambiantes). Pour résoudre cette ambiguïté, on peut proposer un test indépendant et orthogonal, tel que la mesure de l'indice de réfraction, la spectroscopie infrarouge (IR) pour identifier les groupes fonctionnels, ou la détermination précise du point de fusion. Classification des propriétés (intensive ou extensive) et justification : - Propriétés intensives (ex. : point d'ébullition, densité, indice de réfraction, point de fusion) : ne dépendent pas de la quantité de matière présente. - Propriétés extensives (ex. : masse, volume, capacité thermique totale) : dépendent de la quantité de matière. Seules les propriétés intensives permettent d'identifier des substances, car elles constituent des caractéristiques intrinsèques et immuables d'un matériau pur, indépendantes de la taille de l'échantillon analysé, contrairement aux propriétés extensives qui varient selon la quantité de substance.

Essentiels de laboratoire

Instruments

• Bêchers (100 mL)
• Balance électronique et coupelle de pesée
• Éprouvettes graduées (25 mL et 50 mL)
• Plaques chauffantes
• Pieds et pinces de laboratoire
• Agitateurs magnétiques et barres d'agitation
• Vase de trop-plein (500 mL)
• Corbeille
• Thermomètres
• Minuteur
• Pince à épiler

Produits

• Liquides inconnus (#1 et #2)
• Solides non identifiés (#1 et #2)
• Eau du robinet