Fiche explicative de la leçon : Les mélanges Chimie

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à identifier et décrire différents types de mélanges et leurs propriétés physiques.

La chimie est l’étude de la matière, de tout matériau ayant à la fois une masse et un volume. La matière peut en outre être classée comme une substance pure ou un mélange. Les éléments tels que l’aluminium (), le carbone () et le fer () sont des substances pures. Lorsque des éléments se lient chimiquement, des composés tels que l’eau (), le dioxyde de carbone (), et le chlorure de sodium () se forment. Les composés sont également considérés comme des substances pures.

Lorsque deux substances ou plus, qu’elles soient des éléments ou des composés, sont physiquement combinées entre elles plutôt que chimiquement, il se forme un mélange. On parle d’un mélange si chaque substance le composant conserve bien son identité distincte et peut être séparée des autres substances par des moyens physiques. L’air, le lait, l’eau salée et le ciment sont des exemples de mélanges.

La figure ci-dessous représente divers atomes, composés et mélanges au niveau moléculaire.

Lorsque deux substances ou plus se combinent pour former un mélange de composition uniforme, on dit que le mélange est homogène. Le préfixe « homo- » signifie « même » et indique que la composition et les propriétés du mélange sont les mêmes dans tout le mélange. Un mélange homogène est aussi appelé une solution.

L’eau salée est un exemple de solution homogène. Le mélange est constitué de chlorure de sodium () et d’eau (). Une fois que ces substances sont combinées, le mélange résultant est uniforme et le sel ne peut pas être distingué de l’eau.

Un autre exemple de mélange homogène est l’air. L’air est composé d’azote, d’oxygène, d’argon, de dioxyde de carbone, de vapeur d’eau et d’autres gaz. La composition de l’air est uniforme, et les différents gaz ne peuvent pas être distingués les uns des autres.

Une solution est composée d’un solvant, le composant majeur, et de solutés, les composants mineurs. On peut aussi décrire le soluté comme la substance qui se dissout et le solvant comme la substance qui dissout le soluté.

Dans l’exemple de l’eau salée, le sel est le soluté et l’eau est le solvant. Dans l’air, l’azote est le solvant étant donné qu’il forme de la composition totale du mélange. Par conséquent, lorsqu’on considère l’air comme un mélange, l’oxygène, l’argon, le dioxyde de carbone et la vapeur d’eau sont tous considérés comme des solutés.

On considère souvent une solution comme un liquide consistant en un solide dissous dans l’eau, mais le soluté et le solvant peuvent être solides, liquides ou gazeux. Des exemples de diverses solutions sont donnés dans le tableau ci-dessous.

Seule une certaine quantité de soluté peut être dissoute dans un solvant à une température donnée. Une solution qui contient la quantité maximale de soluté pouvant être dissoute dans le solvant à une température donnée est une solution saturée.

Si une quantité inférieure à la quantité maximale de soluté est dissoute dans le solvant à une température donnée, la solution est considérée comme insaturée.

Cependant, il est parfois possible de dépasser la quantité maximale de soluté qu’un solvant devrait pouvoir contenir. Si une solution saturée est chauffée, le solvant peut être capable de dissoudre plus de soluté. Une fois que le soluté supplémentaire a été dissous, la solution est lentement refroidie à la température initiale. La solution refroidie qui en résulte contient plus que la quantité maximale de soluté et on l’appelle une solution sursaturée.

Les solutions sursaturées sont instables. Les moindres vibrations ou particules de poussière peuvent provoquer la cristallisation et la précipitation de l’excès de soluté. Par exemple, un chauffe-main réutilisable contient une solution sursaturée d’acétate de sodium. Lorsqu’on agite le disque à l’intérieur de la poche, l’excès d’acétate de sodium précipite sous forme de cristaux blancs et de la chaleur est générée.

Exemple 3: Décrire le type de solution produite par la dissolution d’acétate de sodium dans l’eau

Dans une expérience, un élève ajoute de l’acétate de sodium à un volume fixe d’eau. À un moment donné, l’élève atteint un point où l’acétate de sodium ajouté ne se dissout plus. L’élève chauffe ensuite la solution jusqu’à ce qu’il ne voie plus de cristaux d’acétate de sodium. Il laisse la solution refroidir légèrement. Le schéma ci-dessous montre les observations de l’élève.

1. Lequel des termes suivants décrit la solution B ? 
   1. Colloïdale
   2. Saturée
   3. Surnageante
   4. Sursaturée
   5. Insaturée
2. Lequel des termes suivants décrit la solution D ? 
   1. Colloïdale
   2. Non saturée
   3. Saturée
   4. Surnageante
   5. Sursaturée

Réponse

Partie 1

Une solution est un mélange homogène composé d’un ou plusieurs solutés dissous dans un solvant. Le solvant est le composant majeur de la solution et le soluté est le composant mineur de la solution. Dans cet exemple, l’acétate de sodium est le soluté et l’eau est le solvant.

Lors de la préparation de solutions, le solvant ne peut dissoudre qu’une certaine quantité de soluté à une température donnée. Lorsque la quantité maximale de soluté a été dissoute dans le solvant à la température désirée, la solution est considérée comme saturée. Lorsqu’une quantité de soluté inférieure à la quantité maximale est dissoute dans le solvant, la solution est considérée comme insaturée.

Au début de l’expérience, de l’acétate de sodium est ajouté à un volume fixe d’eau (solution A). Au départ, l’acétate de sodium ajouté se dissout. Cela signifie que la solution est insaturée. À un certain moment, l’acétate de sodium ajouté ne se dissout plus (solution B). La quantité maximale d’acétate de sodium a déjà été dissoute dans l’eau. La solution B peut être décrite comme saturée, ce qui correspond à la réponse B.

Partie 2

Lorsque la quantité dissoute de soluté est supérieure à la quantité normalement maximale dans ce solvant à une température donnée, la solution est sursaturée. L’augmentation de la température d’un solvant permet souvent de dissoudre plus de soluté. Si la solution obtenue est refroidie lentement, l’excès de soluté peut rester dans le solvant pour former une solution sursaturée.

Dans l’expérience, la solution B est chauffée jusqu’à dissolution des cristaux d’acétate de sodium en excès (solution C). Ensuite, on a laissé refroidir la solution (solution D). Notez qu’il n’y a pas de cristaux d’acétate de sodium dans la solution D. Cela signifie que l’excès d’acétate de sodium est toujours dissous dans le solvant. La solution D peut être décrite comme sursaturée, ce qui correspond à la réponse E.

Certains solutés, lorsqu’ils sont dissous dans l’eau, s’ionisent ou se dissocient en ions. Ces solutés sont appelés électrolytes, car la solution résultante conduit l’électricité.

Les électrolytes peuvent être forts ou faibles. Les électrolytes forts sont des solutés qui s’ionisent ou se dissocient complètement lorsqu’ils sont dissous dans l’eau. Parmi les exemples, citons le chlorure de sodium, un composé ionique () et l’acide chlorhydrique, un composé covalent polaire () : 

Les ions () ne restent pas libres en solution et sont gagnés par les molécules d’eau, formant des ions hydronium (). L’équation chimique ci-dessus pour l’ionisation de () est souvent utilisée pour abréger la réaction, mais l’équation chimique ci-dessous est plus exacte : 

Les électrolytes faibles sont des solutés qui ne se dissocient que partiellement lorsqu’ils sont dissous dans l’eau. L’acide acétique () en est un exemple. Notez que, dans l’équation ci-dessous, une flèche d’équilibre est utilisée à la place de la flèche vers l’avant pour indiquer que seules certaines molécules d’acide acétique s’ionisent : 

Les solutés qui ne produisent pas d’ions lorsqu’ils sont dissous dans l’eau sont appelés des non-électrolytes.

Le sucre est un exemple de non-électrolyte. Le sucre se dissout dans l’eau pour former une solution, mais les molécules de sucre ne s’ionisent pas. Par conséquent, la solution obtenue ne conduit pas l’électricité.

Un testeur de conductivité est un appareil simple composé d’une ampoule, d’électrodes et d’une source d’alimentation. Lorsque les électrodes sont placées dans une solution contenant un électrolyte, le courant électrique peut traverser la solution pour fermer le circuit et l’ampoule s’allume. L'ampoule émet une lumière plus vive lorsque les électrodes sont placées dans une solution contenant un électrolyte faible, puis dans une solution contenant un électrolyte fort. Si les électrodes sont placées dans une solution contenant un non-électrolyte, le courant électrique ne pourra pas circuler, et l’ampoule ne s’allumera pas. L’utilisation d’un testeur de conductivité dans trois solutions différentes est illustrée sur la figure ci-dessous.

Exemple 4: Identifier l’électrolyte fort parmi trois substances

Trois solutions différentes sont illustrées. Laquelle des solutions contient un électrolyte fort ? 

Réponse

Un électrolyte est une substance qui conduit l’électricité lorsqu’elle est dissoute dans l’eau. Cela est dû à la formation d’ions lorsque le soluté se dissocie ou s’ionise. Le processus de dissolution du glucose (), de l’hydroxyde d’ammonium () et de l’hydroxyde de sodium () en solution aqueuse peut être représenté par les équations suivantes : 

Bien que le glucose se dissolve dans l’eau, il ne s’ionise pas pour produire des ions dans la solution. Par conséquent, nous pouvons éliminer le bécher A.

L’hydroxyde d’ammonium () et l’hydroxyde de sodium () sont tous deux des électrolytes une fois dissous dans l’eau. Les électrolytes peuvent être considérés comme forts ou faibles. Les électrolytes forts se dissocient complètement lorsqu’ils sont dissous, tandis que les électrolytes faibles ne se dissocient que partiellement. On peut voir la différence entre les deux types d’électrolytes avec la flèche utilisée dans les équations de réaction, une flèche d’équilibre dans le cas de la dissolution d’un électrolyte faible, et une flèche droite dans le cas de la dissolution d’un électrolyte fort.

On peut voir à partir des équations de réaction que est un électrolyte faible, tandis que est un électrolyte fort. La solution qui contient un électrolyte fort est le bécher C.

Lorsque deux substances ou plus se combinent pour former un mélange ayant une composition non uniforme, on parle d’un mélange hétérogène. Le préfixe « hétéro » signifie « différent » et indique que la composition et les propriétés du mélange ne sont pas les mêmes dans tout le mélange.

Le soufre mélangé à de la limaille de fer est un exemple de mélange hétérogène. Le soufre et la limaille de fer restent séparés, et le mélange n’est pas le même partout.

L’huile mélangée à de l’eau est un autre exemple de mélange hétérogène.

Souvent, avec des mélanges hétérogènes, les différentes substances du mélange sont visibles à l’œil nu, mais ce n’est pas le cas pour tous les mélanges hétérogènes. Les colloïdes sont des mélanges hétérogènes alors qu’on ne peut pas distinguer les substances les unes des autres à l’œil nu. Les colloïdes sont souvent confondus avec des mélanges homogènes. Cependant, lorsqu’on les examine à la loupe ou au microscope, il est évident que les colloïdes n’ont pas une composition uniforme. Le brouillard, la meringue et le lait sont des exemples de colloïdes.

Les suspensions sont un type de mélange hétérogène composé de très grosses particules en suspension dans un milieu qui, avec le temps, se déposeront au fond du récipient. La farine, la craie en poudre et la poussière, lorsqu’elles sont mélangées à de l’eau, sont des exemples de suspensions.

La figure ci-dessous compare les solutions, les colloïdes et les suspensions.

Le diagramme ci-dessous résume les termes relatifs aux mélanges.