Identifier corps purs et mélanges

Un échantillon est une portion de matière que l'on étudie. Une espèce chimique correspond à un ensemble d'entités chimiques identiques selon la description retenue, comme les molécules d'eau H₂O. Un corps pur contient une seule espèce chimique ; un mélange en contient plusieurs. La transparence ou l'origine naturelle ne permettent pas de trancher. L'eau minérale contient notamment de l'eau et des espèces dissoutes : même limpide, elle constitue un mélange.

Un mélange homogène présente une seule phase à l'échelle d'observation choisie ; on ne distingue pas ses constituants à l'œil nu. Un mélange hétérogène présente plusieurs phases, comme de l'eau et de l'huile au repos. Un corps pur peut aussi présenter plusieurs phases, par exemple de l'eau liquide et de la glace constituées de la même espèce. Le nombre de phases et le nombre d'espèces ne répondent donc pas à la même question.

L'air est un mélange gazeux. Dans l'air sec, on retient approximativement 78 % de diazote et 21 % de dioxygène en volume, le reste étant principalement constitué d'argon et d'autres gaz. La vapeur d'eau varie selon les conditions. À température ambiante et pression atmosphérique usuelle, la masse volumique de l'air est de l'ordre de 1 g par litre, environ 1,2 g par litre selon les conditions. Ces valeurs ne doivent pas être utilisées sans préciser leur caractère approché.

Pour caractériser un échantillon, on combine observations et mesures. Une même apparence peut correspondre à des compositions différentes ; un seul test positif peut seulement montrer la présence d'une espèce. L'identification devient plus solide quand plusieurs propriétés compatibles sont réunies et comparées à des références obtenues dans des conditions pertinentes. On doit aussi préciser ce que les méthodes ne détectent pas et éviter de transformer une absence de signal en preuve universelle d'absence.

La masse volumique est le quotient ρ = m/V, où m est la masse de l'échantillon et V son volume. Elle s'exprime par exemple en g·mL⁻¹ ou en kg·m⁻³. L'eau liquide possède une masse volumique proche de 1,0 g·mL⁻¹ dans les conditions usuelles. Cette valeur correspond à 1 000 kg·m⁻³. Une masse volumique dépend de la température ; pour identifier une espèce, on compare des valeurs dans des conditions compatibles et on tient compte de la qualité de la mesure.

Les températures de changement d'état constituent d'autres propriétés. À pression fixée, un corps pur change d'état à une température caractéristique dans les conditions étudiées. Un palier de température peut aider à l'identifier. La pression, la présence d'impuretés et les conditions de mesure doivent être examinées. Une température relevée pendant un chauffage n'est pas automatiquement une température d'ébullition : il faut observer le changement d'état et interpréter toute la série de données.

Les tests chimiques courants se décrivent par un réactif, une observation et une conclusion limitée. Le sulfate de cuivre anhydre, blanc, devient bleu en présence d'eau. Le dioxyde de carbone trouble l'eau de chaux. Le dioxygène favorise la reprise d'une bûchette incandescente. Un petit échantillon de dihydrogène peut produire une détonation caractéristique au contact d'une flamme, dans un test strictement encadré au laboratoire. On n'identifie jamais un produit inconnu en le goûtant ou en le sentant directement.

La fraction massique d'un constituant est sa masse divisée par la masse totale du mélange. En multipliant par 100, on obtient son pourcentage massique. Le dénominateur est toujours le total du mélange, pas la masse d'un autre constituant. Pour une composition volumique, on utilise des volumes comparables dans les conditions pertinentes. Une fraction massique n'est pas automatiquement égale à une fraction volumique, car les espèces n'ont pas nécessairement la même masse volumique.

Une chromatographie sur couche mince sépare des espèces selon leurs interactions avec une phase fixe et un éluant. On dépose les échantillons sur une ligne de départ, au-dessus du niveau initial de l'éluant. Le liquide monte et entraîne les espèces différemment. Plusieurs taches distinctes pour un même dépôt montrent la présence de plusieurs constituants détectés. Une seule tache ne garantit pas la pureté : deux espèces peuvent migrer ensemble ou une espèce peut ne pas être révélée.

Un compte rendu ne se limite pas au nom supposé du produit. Il présente les mesures, leurs unités, les observations et les valeurs de référence. On choisit les méthodes selon les propriétés recherchées, puis on confronte les résultats. Si une mesure s'écarte d'une référence, on examine la température, le protocole et l'incertitude avant d'écarter une hypothèse. La conclusion doit distinguer ce qui est observé, ce qui est compatible et ce qui reste indéterminé.