Masse volumique et identification

Ce qu'il faut comprendre

Tu as déjà observé que certains objets coulent dans l'eau alors que d'autres flottent. Par exemple, une pièce de monnaie coule, mais une boule de pétanque en plastique flotte. Cela dépend de la masse volumique de l'objet par rapport à celle de l'eau. La masse volumique est une propriété caractéristique des espèces chimiques : chaque corps pur (comme l'eau pure, le fer, l'alcool) a une masse volumique qui lui est propre. C'est donc un outil très utile pour identifier une substance inconnue. Dans ce cours, tu vas apprendre à calculer et utiliser la masse volumique, et voir comment elle permet de distinguer un corps pur d'un mélange.

Les notions essentielles

Espèce chimique et corps pur

Espèce chimique : ensemble d'entités (atomes, molécules, ions) identiques. Exemples : l'eau (H₂O), le dioxygène (O₂), le sodium (Na).
Corps pur : substance constituée d'une seule espèce chimique. Exemple : l'eau distillée (uniquement H₂O).
Mélange : substance constituée de plusieurs espèces chimiques. Exemple : l'eau du robinet (eau + sels minéraux).

Masse volumique

Définition : la masse volumique ρ (lettre grecque rho) d'une substance est le rapport de sa masse m par son volume V : [ \rho = \frac{m}{V} ]
Unités :
- Dans le Système International (SI) : kg/m³ (kilogramme par mètre cube).
- En chimie courante : g/L (gramme par litre) ou g/mL (gramme par millilitre).
- Attention : 1 g/mL = 1000 g/L = 1000 kg/m³.
Propriété caractéristique : à température et pression données, chaque corps pur a une masse volumique fixe. Par exemple, à 20°C, l'eau pure a ρ = 1,00 g/mL (soit 1000 g/L).
Identification : en mesurant la masse volumique d'un échantillon, on peut le comparer à des valeurs de référence pour identifier l'espèce chimique.

Solution, concentration, dilution

Solution : mélange homogène d'un soluté (espèce dissoute) dans un solvant (liquide qui dissout). Exemple : eau salée (soluté = sel, solvant = eau).
Concentration en masse (notée Cm) : masse de soluté dissous par volume de solution. [ C_m = \frac{m_{\text{soluté}}}{V_{\text{solution}}} ] Unité courante : g/L.
Dilution : ajouter du solvant à une solution pour diminuer sa concentration. La masse de soluté ne change pas, donc : [ C_{\text{mère}} \times V_{\text{mère}} = C_{\text{fille}} \times V_{\text{fille}} ] (C_mère et V_mère sont la concentration et le volume de la solution initiale, C_fille et V_fille ceux de la solution diluée).

Méthode

Calculer une masse volumique

Mesurer la masse m de l'échantillon (balance).
Mesurer le volume V de l'échantillon (éprouvette graduée, ou calcul si solide régulier).
Appliquer la formule : ρ = m / V.
Vérifier l'unité : si m en g et V en mL, ρ en g/mL ; si m en g et V en L, ρ en g/L.

Utiliser la masse volumique pour identifier un corps pur

Calculer la masse volumique de l'échantillon.
Comparer avec les valeurs de référence (tableau fourni ou connu).
Si la valeur correspond (à 0,01 près environ), l'échantillon est probablement ce corps pur. Sinon, c'est un mélange ou un autre corps.

Calculer une concentration en masse

Peser la masse de soluté dissous.
Mesurer le volume total de solution.
Appliquer : C_m = m_soluté / V_solution.

Diluer une solution

Calculer le volume de solution mère à prélever : V_mère = (C_fille × V_fille) / C_mère.
Prélever ce volume avec une pipette jaugée.
Verser dans une fiole jaugée de volume V_fille.
Compléter avec du solvant jusqu'au trait de jauge.
Agiter pour homogénéiser.

Exemple corrigé

Énoncé : On veut identifier un liquide inconnu. On mesure 50,0 mL de ce liquide ; sa masse est 39,5 g. À 20°C, la masse volumique de l'éthanol est 0,789 g/mL, celle de l'eau est 1,00 g/mL. S'agit-il d'éthanol pur, d'eau pure ou d'un mélange ?

Correction :

Calcul de la masse volumique : ρ = m / V = 39,5 g / 50,0 mL = 0,790 g/mL.
Comparaison : 0,790 g/mL est très proche de 0,789 g/mL (éthanol). L'écart est de 0,001 g/mL, soit 0,1% d'erreur relative, ce qui est acceptable pour une mesure.
Conclusion : le liquide est très probablement de l'éthanol pur.

Remarque : Si la valeur avait été 0,895 g/mL, ce serait un mélange (ni eau ni éthanol pur).

Erreurs fréquentes

Confondre masse et volume : la masse volumique n'est ni la masse ni le volume, c'est leur rapport.
Oublier les unités : toujours préciser l'unité (g/mL, kg/m³, etc.).
Utiliser la formule de dilution à l'envers : vérifier que C_mère × V_mère = C_fille × V_fille.
Croire que la masse volumique change avec la quantité : elle est indépendante de la taille de l'échantillon (propriété intensive).
Penser que tous les liquides ont la même masse volumique : chaque espèce a sa propre valeur.

À retenir

Masse volumique : ρ = m / V (unité : g/mL ou kg/m³).
Propriété caractéristique d'un corps pur.
Permet d'identifier une substance.
Concentration en masse : C_m = m_soluté / V_solution (g/L).
Dilution : C_mère × V_mère = C_fille × V_fille.
Un mélange n'a pas de masse volumique fixe.

Pour s'entraîner

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