Corps purs et mélanges : cours de 5e

Autour de toi, presque rien n'est fabriqué d'une seule matière. Une boisson, l'air d'une pièce, une roche, un plat cuisiné : ce sont des assemblages de plusieurs constituants. Pourtant, en physique-chimie, on a besoin d'un mot précis pour parler d'une matière qui ne contient qu'une seule chose. C'est le rôle de la notion de corps pur, qu'on oppose à celle de mélange.

Au collège, cette notion se construit sur plusieurs années. Dès la classe de 5e, les activités consolident les notions d'espèce chimique, de mélange et de corps pur, ainsi que celles d'état physique et de changement d'état ¹. Tu retrouves donc ici des idées déjà croisées dans les chapitres sur les états de la matière et sur les changements d'état, mais avec un regard plus précis sur ce que contient la matière.

Le programme veut aussi que l'on passe par l'expérience : on pèse, on mesure, on compare. Trois études sont attendues : ce que devient la masse quand on mélange, ce que devient le volume, et le lien entre masse et volume lorsqu'on garde la même substance ¹. Ce cours avance donc sur deux fils : un fil de vocabulaire (corps pur, mélange, espèce chimique) et un fil de mesures (masse, volume).

Au fil des sections, tu apprendras à :

• dire ce qu'est un corps pur et ce qu'est un mélange ;
• reconnaître une situation de mélange et la décrire correctement ;
• prévoir la masse d'un mélange à partir des masses de ses constituants ;
• comprendre pourquoi on ne peut pas faire pareil avec les volumes ;
• utiliser la proportionnalité entre masse et volume pour une même substance.

Pour comprendre le mot « corps pur », il faut d'abord parler de la matière elle-même. Toute matière est faite d'une ou de plusieurs substances. Une substance, ou espèce chimique, est un type de matière bien défini, qui a ses propres propriétés : son aspect, sa façon de changer d'état, sa capacité à se dissoudre ou non dans un liquide. La progression proposée par Éduscol associe d'ailleurs à ce chapitre la température de changement d'état et la solubilité ².

Cette opposition est simple à énoncer, mais elle demande un peu d'attention. Le mot « pur » du langage courant n'a pas le même sens que celui de la physique-chimie. Dans la vie de tous les jours, on dit d'un jus qu'il est « pur » quand il n'y a rien d'ajouté dedans. En physique-chimie, un liquide n'est un corps pur que s'il ne contient qu'une seule espèce chimique. Un jus de fruits, même sans ajout, est donc un mélange : il contient de nombreuses substances.

Un mélange se forme dès que l'on met en présence plusieurs substances. Selon les cas, tu pourras voir ou non qu'il y en a plusieurs. Deux situations se présentent souvent en classe.

Première situation : on distingue les constituants. Tu verses de l'huile dans de l'eau et tu agites. Tu vois des gouttes, des zones différentes, parfois deux couches. Il est facile de dire que ce n'est pas une seule substance : c'est un mélange.

Seconde situation : on ne distingue plus les constituants. Tu verses du sucre en poudre dans un verre d'eau et tu remues jusqu'à ce que le sucre ait disparu. Le liquide est limpide, comme de l'eau. Pourtant, le sucre est toujours là : il s'est dissous, et le liquide reste un mélange. Tu pourras le vérifier en laissant l'eau s'évaporer, mais surtout en pesant, comme tu le verras plus loin.

Parlons maintenant des mesures. Le programme de 5e insiste sur des études quantitatives : on pèse, on mesure, on compare ¹. La première grande observation concerne la masse.

Autrement dit, rien ne se perd et rien ne se crée pendant le mélange. Si tu poses sur une balance un verre contenant de l'eau, puis que tu y ajoutes du sucre sans rien renverser, la balance indique la masse de l'eau plus la masse du sucre, même lorsque le sucre a disparu à la vue.

Si $m_1$ et $m_2$ sont les masses de deux constituants, la masse du mélange vaut :

$m_{\text{mélange}} = m_1 + m_2$

On pourrait penser que ce qui est vrai pour la masse l'est aussi pour le volume. Ce n'est pas le cas. Le programme demande d'étudier justement la non-conservation du volume ¹. Le volume du mélange n'est pas toujours égal à la somme des volumes des constituants.

Pourquoi cette différence ? Une façon simple de l'imaginer consiste à penser à des billes de deux tailles. Si tu verses des petites billes dans un récipient de grosses billes, les petites se glissent dans les espaces entre les grosses. Le volume obtenu est inférieur à la somme des deux volumes de départ. Cette image n'est qu'un modèle, mais elle aide à comprendre que le volume dépend de la façon dont les constituants s'organisent, alors que la masse, elle, ne dépend que de la quantité de matière présente.

Un autre résultat à connaître concerne une seule substance. Le programme demande d'étudier la proportionnalité entre masse et volume pour une substance donnée ¹. Si tu prends deux échantillons d'une même substance, celui qui a un volume deux fois plus grand a une masse deux fois plus grande.

On peut donc utiliser les outils habituels de la proportionnalité : le tableau, le coefficient, le produit en croix. Pour une substance donnée, le quotient masse sur volume est toujours le même. La grandeur appelée masse volumique, notée $\rho$, est introduite progressivement à partir de la classe de 4e ¹, et elle relie la masse et le volume par la relation $m = \rho V$ ². En 5e, on se concentre sur la proportionnalité elle-même.

Pour résumer, retiens que la matière se décrit à deux niveaux. Le premier est celui de ce qu'elle contient : une seule espèce chimique pour un corps pur, plusieurs pour un mélange ². Le second est celui des grandeurs mesurées : la masse se conserve quand on mélange, le volume ne se conserve pas forcément ¹, et pour une substance donnée la masse est proportionnelle au volume ¹.

Ces idées préparent les chapitres suivants. Tu étudieras la solubilité et la miscibilité pour comprendre pourquoi certaines substances se mélangent bien, puis les méthodes de séparation des constituants d'un mélange, puis le cas de l'eau dans notre environnement. À chaque fois, tu auras besoin de savoir distinguer sans hésiter un corps pur d'un mélange.