Fiche explicative de la leçon: Déterminer la pureté Chimie • Troisième année secondaire

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à déterminer la pureté d’une substance en fonction de son pourcentage massique et de ses propriétés physiques.

Dans la vie quotidienne, on utilise le mot pur pour décrire beaucoup de choses. Par exemple, on pourrait décrire le son clair d’un instrument comme une note pure. Certains tissus portent l’étiquette « coton pur » ou «  coton » car aucune fibre de tissu synthétique n’a été mélangée avec le coton pour fabriquer le tissu.

On parle aussi de certains aliments comme étant purs. Par exemple, les étiquettes de certains aliments disent que ceux-ci sont purs, comme un jus de pomme, une huile d’olive ou un miel.

Lorsqu’on dit qu’un produit tel que le jus de pomme est pur, cela signifie généralement que ce jus est fabriqué uniquement à partir de pommes. L’huile d’olive pure est uniquement fabriquée à partir d’olives, et le miel pur est du miel provenant directement de la ruche, sans aucun ajout. De là, nous pouvons voir que le terme pur est utilisé de plusieurs façons, avec des significations légèrement différentes.

En chimie, le terme pur a une signification très spécifique. Une substance chimiquement pure est une substance qui contient un seul type d’élément ou de composé, avec une seule composition chimique.

Le jus de pomme n’est pas une substance pure, bien qu’il soit fabriqué uniquement à partir de pommes. Le jus de pomme contient diverses substances, y compris l’eau, le saccharose, le fructose, le glucose, l’amidon, la vitamine C, ainsi que des tanins, pectines et minéraux. L’huile d’olive contient également des substances diverses, tout comme le miel. L’huile d’olive et le miel ne sont pas des substances chimiquement pures.

Le tableau ci-dessous donne certaines substances chimiquement pures.

Les cristaux purs de sucre de table ne contiennent que des molécules de saccharose (). Le fil de cuivre pur ne contient que des atomes de l’élément cuivre. La bouteille de gaz argentée sur la dernière image contient de l’hélium liquide pur.

Toute la matière peut être classée dans l’une des deux catégories suivantes : les corps purs et les mélanges. Tout mélange se compose de plus d’une substance, et les mélanges peuvent donc être considérés comme des substances impures. Les substances d’un mélange ne sont pas liées chimiquement les unes aux autres ; par conséquent, les composants peuvent être séparés par des moyens physiques.

Exemple 1: Utiliser les significations quotidiennes et scientifiques du terme pur

L’image ci-dessous montre une bouteille de jus d’orange portant une étiquette.

1. Pourquoi l’entreprise pourrait-elle affirmer que le jus d’orange est pur à  ? 
   1. La solution est complètement de couleur orange.
   2. Il ne contient aucun produit ajouté ou artificiel.
   3. Il est constitué de n’importe quel type de composé.
   4. Son pH est égal à 7, ce qui le rend neutre.
   5. Les oranges sont issues de l’agriculture biologique.
2. Pourquoi un chimiste peut-il dire que le jus d’orange n’est pas pur ? 
   1. Il ne contient pas qu’une seule substance.
   2. Il est légèrement acide.
   3. Les particules sont libres de se déplacer les unes autour des autres.
   4. Il ne contient qu’une substance artificielle.
   5. La solution n’est pas incolore.

Réponse

Partie 1

L’étiquette indique que le jus d’orange est fabriqué à partir de concentré d’orange. Le concentré d’orange est du jus extrait d’oranges, une partie de l’eau est retirée pour concentrer le jus, puis de l’eau est ajoutée à nouveau pour le reconstituer. Le jus d’orange, sous formes concentrée et reconstituée, contient de nombreux composés, y compris l’eau, le saccharose, le glucose, le fructose, l’acide citrique, l’acide ascorbique, d’autres vitamines et des minéraux. L’affirmation C, « il est constitué de n’importe quel type de composé », n’est pas juste.

D’autre part, on ne peut pas déterminer si les oranges sont issues de l’agriculture biologique à partir des informations fournies par l’étiquette. L’agriculture biologique ne signifie pas « pur » au sens scientifique. L’agriculture biologique signifie qu’aucun pesticide ou herbicide chimique n’a été utilisé. L’affirmation E, « les oranges sont issues de l’agriculture biologique », n’est pas correcte.

La couleur du jus d’orange, ainsi que celle d’autres mélanges, n’indique pas sa pureté. Souvent, les liquides sont de couleur uniforme mais, comme le jus d’orange, ils peuvent être des mélanges de nombreuses substances. L’affirmation A, « la solution est complètement de couleur orange », n’indique pas la pureté.

Le pH d’une solution est lié à l’acidité ou à la basicité d’une solution. Le jus d’orange contient plusieurs acides différents et, par conséquent, son pH est légèrement acide. Il n’a pas un pH de 7 et n’est pas neutre. Le pH du jus d’orange n’indique pas la pureté, mais simplement qu’il s’agit d’une solution acide. L’affirmation D, « il a un pH de 7, ce qui le rend neutre », est fausse.

L’étiquette indique pur jus d’orange, et nous pouvons donc en déduire que le fabricant veut dire que le jus est fabriqué uniquement à partir d’oranges, sans autre substance ajoutée ou artificielle. La bonne réponse est B, « il ne contient aucun produit ajouté ou artificiel ».

Partie 2

La signification scientifique d’une substance pure est une substance qui contient un seul type d’élément ou de composé. Le jus d’orange ne contient pas qu’une seule substance ; il contient de nombreuses substances différentes. L’affirmation A, « il ne contient pas qu’une seule substance », correspond précisément à ce qu’un chimiste pourrait dire pour expliquer pourquoi le jus d’orange n’est pas pur. La bonne réponse est A.

Même si une substance contient une quantité infime d’une autre substance, elle est considérée comme impure. Autrement dit, si une substance n’est pas entièrement seule, pas pure à , elle est considérée comme impure.

Pour exprimer à quel point une substance est pure ou impure, on parle de la pureté.

Considérons un bécher contenant uniquement des molécules d’éthanol, plusieurs béchers contenant de l’eau et de l’éthanol dans des proportions différentes (, , et ), et un bécher contenant uniquement des molécules d’eau. Nous supposerons qu’il n’y a pas d’autres substances, telles que des molécules de gaz, mélangées à ces solutions. Le schéma ci-dessous illustre ces informations.

On peut mesurer la pureté de l’eau dans chaque bécher, pour trouver des valeurs entre et . Lorsqu’il n’y a que de l’éthanol, l’eau a une pureté de . Lorsque seule l’eau est présente, elle a une pureté de . Quand du liquide est composé d’eau, la pureté de l’eau est , et ainsi de suite.

Il est très difficile et coûteux pour un chimiste de purifier un produit chimique à . En général, la plus grande pureté qu’un chimiste puisse atteindre est d’environ , et une substance d’une pureté supérieure à est considérée comme étant d’une grande pureté.

Une ultra haute pureté (pureté au-dessus de est importante et nécessaire dans certaines applications, telles que les médicaments. De très faibles pourcentages d’une impureté dans un médicament peuvent être potentiellement nocifs, selon la nature de l’impureté.

Cependant, on n’a pas toujours besoin de substances ultrapures. Par exemple, de nombreux produits de nettoyage sont de faible pureté, mais cela n’a pas d’importance car ils peuvent toujours effectuer la tâche pour laquelle ils sont faits.

Les impuretés peuvent se trouver sous des formes diverses. Une impureté peut se trouver dans la même phase que la substance désirée ou dans une phase différente, ou dans une forte ou faible proportion. Les impuretés peuvent parfois être faciles à repérer, lorsqu’elles ont une couleur différente du produit souhaité, mais elles ont souvent la même couleur, ce qui les rend plus difficiles à remarquer.

La présence d’impuretés n’est pas toujours un inconvénient. La présence d’atomes d’autres éléments dans les métaux peut former des alliages ayant des propriétés physiques beaucoup plus favorables que le métal pur. À lui seul, le fer pur est très tendre, ce qui ne le rend pas utile à de nombreuses applications. Cependant, l’ajout de carbone comme impureté permet de former l’alliage qu’on appelle l’acier. Ici, l’impureté est bénéfique, car elle améliore la dureté du métal, ce qui le rend beaucoup plus utile. En plus du carbone, on peut aussi ajouter du chrome à l’acier, pour former de l’acier inoxydable. L’avantage de l’impureté de chrome est de ralentir, voire d’empêcher, la formation de rouille.

Les pierres précieuses telles que les saphirs et les rubis sont des minéraux d’oxyde d’aluminium qui contiennent des impuretés telles que le chrome, le fer ou le titane.

La formule pour calculer la pureté en pourcentage dans un échantillon est ou

On peut affiner cette formule en remplaçant le mot quantité par masse, volume ou moles. Par conséquent, l’expression de la pureté massique est

Un échantillon de 19 g de poudre de soufre et de limaille de fer contient 0,25 g de limaille de fer. On peut calculer la pureté du soufre dans ce mélange.

La masse totale de l’échantillon impur est de 19 g et la masse de l’impureté, le fer, est de 0,25 g. À l’aide de ces informations, on peut calculer le pourcentage de soufre dans l’échantillon et, par conséquent, la pureté du soufre.

On commence par calculer la masse de soufre. Pour ce faire, on soustrait la masse de fer de la masse totale de l’échantillon impur : 

Ensuite, on peut utiliser la formule permettant de calculer la pureté, en introduisant 18,75 g de soufre pur et la masse totale d’échantillon impur qui est de 19 g. L’équation devient alors : 

Les deux unités de gramme s’annulent, et on obtient

D’après ce calcul, on peut voir que de l’échantillon soufre et fer est constitué de soufre. Une pureté de signifie que l’échantillon de soufre est de grande pureté.

Un produit chimique peut très souvent être moins pur qu’il en a l’air. Considérez les exemples suivants : 

• L’air semble pur, mais il est en fait composé de nombreuses substances différentes, y compris des gaz comme , , , , et , ainsi que de minuscules gouttelettes d’eau (l’humidité de l’air).
• L’eau du robinet peut paraître limpide, incolore et donc pure. Cependant, l’eau du robinet contient de nombreuses substances ioniques dissoutes (minéraux), des gaz dissous, des particules de poussière microscopiques et de très petites quantités d’autres impuretés chimiques provenant des stations de traitement de l’eau.
• Les substances ménagères courantes, telles que le sel, semblent pures mais contiennent de petites quantités d’impuretés, telles que des agents antiagglomérants qui empêchent le sel de s’agglutiner.

Des facteurs tels que les conditions atmosphériques, ou la manière dont une substance est synthétisée et purifiée, déterminent s’il reste ou non des impuretés résiduelles dans la substance. Un échantillon de sucre apparemment pur peut contenir de minuscules quantités d’eau provenant de l’humidité de l’air.

On ne peut donc pas confirmer si une substance est pure par son seul aspect. On doit tester d’autres propriétés pour vérifier la pureté. On peut mesurer le point d’ébullition pour les liquides et le point de fusion pour les solides pour vérifier s’ils sont purs ou non.

Considérons deux liquides limpides et incolores. L’un est de l’eau pure et l’autre est de l’eau salée. Mais on ne peut pas les différencier par leur simple apparence.

À part goûter les deux liquides, ce qu’il ne faut absolument pas faire en laboratoire, on peut différencier les deux liquides en mesurant leur point d’ébullition, comme illustré ci-dessous.

À une pression de 1 atmosphère, l’eau pure bout à . C’est une propriété caractéristique de l’eau pure. Cependant, lorsque l’eau contient une certaine impureté dissoute (par exemple, du sel de table), elle bout à une température légèrement supérieure (environ ). Le point d’ébullition est généralement plus élevé si le liquide est impur.

Pour savoir si une substance solide est pure, on peut mesurer son point de fusion. La fusion d’une substance pure se produit à une température spécifique unique à cette substance. Le sucre de table, ou saccharose, fond à . Ce point de fusion est caractéristique du saccharose, comme indiqué sur le schéma ci-dessous.

Cependant, lorsque le saccharose est contaminé par une impureté, le point de fusion est légèrement inférieur et la substance fond sur une certaine plage de températures au lieu de fondre brusquement à une seule température.

En général, le point de fusion d’un solide impur est légèrement inférieur et plus étalé que le point de fusion d’un solide pur. Un test courant pour caractériser la pureté d’une substance consiste à déterminer si sa fusion se produit à une température précise ou sur une plage de températures.

Pour éliminer une impureté d’un échantillon, on peut purifier celui-ci. Voici quelques méthodes courantes de purification : 

• La distillation permet de purifier un liquide : le liquide désiré est évaporé et les vapeurs sont recondensées sous forme de liquide pur.
• La filtration permet de séparer les solides insolubles d’un liquide : on verse l’échantillon impur dans un entonnoir contenant du papier filtre. La substance insoluble est piégée sur le papier filtre, tandis que le liquide, qu’on appelle alors le filtrat, traverse l’entonnoir. La substance souhaitée peut être le solide insoluble, qu’on peut recueillir dans le papier filtre, ou elle peut être un solide dissous dans le filtrat, qu’on peut récupérer en éliminant le solvant par évaporation.
• La recristallisation permet de purifier un solide : elle consiste à refroidir une solution saturée pour provoquer la cristallisation de la substance désirée, qui peut ensuite être séparée par filtration.

Résumons ce qui a été appris dans cette fiche explicative.