Chimie · Sujet officiel n°9 · Session 2027
Prérequis : mélange homogène et hétérogène, corps pur, changements d'état et palier de température (cycle 4) ; miscibilité, solution, concentration, températures de fusion et d'ébullition comme critères d'identification (Seconde) ; fraction molaire, quantité de matière, pression partielle et loi de Dalton, pression de vapeur saturante, enthalpie de fusion et de vaporisation (PCSI/PTSI) ; pour la démonstration de la loi de Raoult (approfondissement, Partie II) : potentiel chimique et condition d'équilibre entre phases \(\mu_i^{(1)} = \mu_i^{(2)}\) (2e année, PC/PSI). Matériel : deux tubes à essais, sondes de température (−20 à +50 °C) sur interface d'acquisition, bain réfrigérant (glace pilée + chlorure de sodium), eau distillée, solution de \(\ce{NaCl}\) à \(35~\text{g}\cdot\text{L}^{-1}\), agitateurs ; pour les Parties II et III : ébulliomètre (ou ballon bicol avec thermomètre plongeant en phase vapeur et réfrigérant à reflux), chauffe-ballon, cyclohexane et toluène, réfractomètre d'Abbe thermostaté, micropipettes, baromètre ; tubes à analyse thermique, bain thermostaté programmable, naphtalène et biphényle (ou alliage fusible étain–bismuth), acquisition multivoie et traitement Python ou Regressi.
Trois faits d'apparence sans rapport. On répand du sel sur les routes en hiver, et la glace fond alors que la température est restée négative. Une soudure à l'étain fond vers 180 °C, c'est-à-dire nettement plus bas que l'étain (232 °C) comme que le plomb (327 °C) qui la composent. Enfin, aucune distillation, si soignée soit-elle, ne permet d'obtenir de l'éthanol pur à partir d'un vin : on bute autour de 96 % en masse.
Ces trois faits ont une seule et même cause : un mélange ne change pas d'état comme un corps pur. Le corps pur fond et bout à température fixée, sous pression fixée ; le mélange, en général, ne le fait pas, et ses températures de changement d'état dépendent de sa composition. L'objet de cette leçon est de transformer ce constat qualitatif — accessible dès le collège — en un outil de lecture et de prévision : le diagramme binaire, carte des états d'un système à deux constituants.
Le mot binaire désigne ici le nombre de constituants, pas le nombre de phases : deux espèces chimiques, qui pourront selon les cas former une phase ou plusieurs. Nous suivrons donc un fil unique en trois temps : au lycée, le changement d'état sert de signature expérimentale qui distingue un corps pur d'un mélange ; en CPGE, la règle des phases explique pourquoi cette signature existe, et le diagramme binaire liquide-vapeur puis liquide-solide en donne la carte complète. Chaque partie s'appuie sur une expérience réalisée et exploitée, la première réalisable dans n'importe quel lycée, les deux suivantes avec le matériel d'une classe préparatoire.
Commençons par le vocabulaire, car deux mots y sont régulièrement employés l'un pour l'autre. Un corps pur est constitué d'une seule espèce chimique ; un mélange en contient plusieurs. Cette distinction est indépendante de celle, purement visuelle, entre mélange homogène (une seule phase observable : eau salée, air, laiton) et hétérogène (plusieurs phases : eau et huile, granit). Un mélange homogène n'est pas un corps pur, et c'est précisément parce que l'œil ne les sépare pas qu'il faut un autre critère.
Développement complet des deux parties, illustrations expérimentales détaillées, questions d'entretien avec éléments de réponse, biblio commentée. L'accès ouvre les55 leçons et tous les corrigés d'annales jusqu'au 31/08/2027, à 99 € au lieu de 149 € jusqu'au 31 octobre 2026.
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