Tests de reconnaissance : gaz, eau et ions au collège

Voir l’invisible

Un gaz incolore ressemble à tous les autres gaz incolores. Une solution limpide ressemble à toutes les solutions limpides. Le chimiste ne peut donc pas identifier une espèce en la regardant : il doit la faire réagir avec un réactif choisi, de manière à produire un signal visible — un trouble, une couleur, une flamme, un précipité.

C’est tout le principe du test de reconnaissance, et c’est l’une des rares parties du programme où la chimie devient spectaculaire : l’eau de chaux qui blanchit, la bûchette qui se rallume, le petit aboiement du dihydrogène, le sulfate de cuivre qui vire au bleu roi.

Cette page rassemble tous les tests du cycle 4 : ceux des gaz et de l’eau en quatrième, ceux des ions en troisième. Pour chacun, on donne le réactif, le protocole, le résultat attendu, l’équation quand elle est au programme et les précautions de sécurité.

Le tableau des tests à connaître

Espèce cherchée	Réactif ou moyen	Résultat positif
Dioxyde de carbone CO₂	eau de chaux	l’eau de chaux se trouble (blanc laiteux)
Dioxygène O₂	bûchette incandescente	la bûchette se rallume
Dihydrogène H₂	flamme à l’ouverture	détonation sèche (« aboiement »)
Diazote N₂	bûchette enflammée	la bûchette s’éteint (test négatif)
Eau	sulfate de cuivre anhydre (blanc)	la poudre bleuit
Ion chlorure Cl⁻	nitrate d’argent	précipité blanc qui noircit à la lumière
Ion cuivre II Cu²⁺	soude	précipité bleu
Ion fer II Fe²⁺	soude	précipité vert
Ion fer III Fe³⁺	soude	précipité rouille (orangé)
Ion zinc Zn²⁺	soude	précipité blanc
Ion aluminium Al³⁺	soude	précipité blanc
Ion hydrogène H⁺	papier pH ou indicateur	pH inférieur à 7
Ion hydroxyde HO⁻	papier pH ou indicateur	pH supérieur à 7

Deux précisions utiles. D’abord, le diazote n’a pas de test positif au collège : on le reconnaît par élimination, en constatant qu’il ne trouble pas l’eau de chaux, qu’il ne rallume pas la bûchette et qu’il ne détone pas. Ensuite, le zinc et l’aluminium donnent tous deux un précipité blanc : on ne peut pas les distinguer par ce seul test, il faut alors ajouter un excès de soude, qui redissout les deux précipités, ou recourir à d’autres méthodes hors programme.

Le test du dioxyde de carbone

L’eau de chaux est une solution limpide et incolore d’hydroxyde de calcium dans l’eau. C’est le réactif du dioxyde de carbone, et sans doute le test le plus utilisé du collège, puisqu’il permet d’identifier le produit de presque toutes les combustions et de la respiration.

Le trouble n’est pas un changement de couleur du liquide : c’est un précipité, c’est-à-dire un solide insoluble qui se forme dans la solution et y reste en suspension en fines particules. Ce solide est le carbonate de calcium, exactement le même corps que la craie, le calcaire et les coquilles d’huîtres.

$$\text{hydroxyde de calcium}+\text{dioxyde de carbone}\to \text{carbonate de calcium}+\text{eau}$$$$\mathrm{Ca}(\mathrm{OH}{)}_2+{\mathrm{CO}}_2\to {\mathrm{CaCO}}_3+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$$

Ce test est à la portée de tous. Souffler dans un verre d’eau de chaux avec une paille suffit à la troubler en quelques secondes, ce qui prouve que l’air expiré contient beaucoup plus de dioxyde de carbone que l’air inspiré : environ 4 % contre 0,04 %, soit cent fois plus.

Exemple 1 — Que produit une bougie qui brûle ?

On allume une bougie sous un bocal renversé. Quand elle s’éteint, on retire la bougie, on verse de l’eau de chaux dans le bocal et on agite : elle se trouble nettement. On introduit ensuite une bûchette incandescente : elle ne se rallume pas.

L’eau de chaux troublée prouve la formation de dioxyde de carbone. La bûchette qui ne se rallume pas prouve que le dioxygène a été consommé. Les deux observations ensemble montrent que la bougie a transformé le dioxygène de l’air en dioxyde de carbone : c’est une combustion, donc une transformation chimique, et non un simple changement d’état.

Les tests du dioxygène et du dihydrogène

Ces deux tests utilisent le feu, et se ressemblent assez pour être confondus. La différence tient en un mot : la bûchette est incandescente pour le dioxygène, enflammée pour le dihydrogène.

Le dioxygène. On enflamme une allumette ou une bûchette de bois, on souffle la flamme pour ne garder qu’un bout rougeoyant, et on l’introduit dans le tube. Si le gaz est du dioxygène, la bûchette se rallume aussitôt en une flamme vive. Le dioxygène n’est pas lui-même combustible : il est comburant, c’est-à-dire qu’il entretient et amplifie la combustion d’autre chose. C’est pourquoi il est interdit de graisser un détendeur de bouteille d’oxygène médical, et pourquoi un feu dans une atmosphère enrichie en oxygène devient incontrôlable.

Le dihydrogène. On approche une flamme de l’ouverture du tube. Le dihydrogène brûle alors très vite en se combinant au dioxygène de l’air, ce qui produit une petite détonation sèche, traditionnellement appelée aboiement parce qu’elle évoque un jappement. Le seul produit de cette combustion est de l’eau, que l’on peut voir se condenser en buée sur les parois froides du tube.

$$\text{dihydrogène}+\text{dioxygène}\to \text{eau}$$$$2{\mathrm{H}}_2+{\mathrm{O}}_2\to 2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$$

Le test de l’eau

Le sulfate de cuivre anhydre est une poudre blanche. Le mot anhydre signifie « sans eau » : on l’obtient en chauffant du sulfate de cuivre hydraté, qui est bleu, jusqu’à ce qu’il perde toute son eau et blanchisse. Au contact de la moindre trace d’eau, il la reprend et redevient bleu.

Ce test est d’une sensibilité remarquable et fonctionne sur presque tout : une pomme coupée, un morceau de pain frais, une feuille de salade, une canette de soda, un cachet effervescent, l’air humide d’un jour de pluie. Il révèle que la plupart des aliments sont constitués majoritairement d’eau : 95 % pour un concombre, 80 % pour une pomme, 60 % pour un steak.

Exemple 2 — Un soda contient-il de l’eau et du CO₂ ?

On dépose une goutte de soda sur du sulfate de cuivre anhydre : la poudre bleuit. On agite ensuite une bouteille de soda fermée, on l’ouvre et on recueille le gaz qui s’en échappe dans un tube contenant de l’eau de chaux : celle-ci se trouble.

Le bleuissement prouve la présence d’eau, le trouble prouve celle de dioxyde de carbone. Un soda est donc une solution aqueuse de dioxyde de carbone, de sucre et d’arômes. C’est d’ailleurs le dioxyde de carbone dissous qui le rend pétillant et légèrement acide, ce qui explique son pH voisin de 2,5.

Les tests des ions

En troisième, on identifie des ions en solution. Le principe est toujours le même : on ajoute un réactif qui forme avec l’ion cherché un précipité de couleur caractéristique. La page sur les ions, acides et bases détaille ce que sont les ions et comment ils se notent.

L’ion chlorure se teste à part, avec le nitrate d’argent. Quelques gouttes suffisent : un précipité blanc apparaît, qui noircit lentement à la lumière. Ce noircissement, dû à la décomposition du chlorure d’argent en argent métallique, est précisément le phénomène sur lequel reposait toute la photographie argentique.

$${\mathrm{Ag}}^{+}+{\mathrm{Cl}}^{-}\to \mathrm{AgCl}$$

Les ions métalliques se testent tous avec le même réactif, la soude, c’est-à-dire une solution d’hydroxyde de sodium. Les ions hydroxyde HO⁻ qu’elle apporte se combinent à l’ion métallique pour former un hydroxyde solide et coloré.

$${\mathrm{Cu}}^{2+}+2{\mathrm{HO}}^{-}\to \mathrm{Cu}(\mathrm{OH}{)}_2$$

Le nombre d’ions hydroxyde nécessaires est égal à la charge de l’ion métallique : deux pour Cu²⁺, Fe²⁺ et Zn²⁺, trois pour Fe³⁺ et Al³⁺. C’est la traduction directe du fait qu’une solution est toujours électriquement neutre.

Exemple 3 — Analyser une eau minérale

On teste une eau minérale. Avec le nitrate d’argent, un précipité blanc apparaît. Avec la soude, aucun précipité coloré ne se forme. Le papier pH indique 7,5.

Le précipité blanc au nitrate d’argent révèle des ions chlorure. L’absence de précipité à la soude signale l’absence d’ions cuivre, fer, zinc et aluminium en quantité détectable, ce qui est normal pour une eau potable. Le pH de 7,5 indique une eau très légèrement basique, donc contenant un peu plus d’ions hydroxyde que d’ions hydrogène. L’étiquette confirmera en général la présence de calcium, magnésium et hydrogénocarbonate, qui ne sont pas testables au collège.

Exemple 4 — Identifier un gaz inconnu

Un tube contient un gaz incolore. L’eau de chaux ne se trouble pas. Une bûchette incandescente ne se rallume pas. Une flamme approchée ne provoque aucune détonation. Le gaz éteint une bûchette enflammée.

Ce n’est ni du dioxyde de carbone (premier test négatif), ni du dioxygène (deuxième négatif), ni du dihydrogène (troisième négatif). Le gaz éteint la flamme sans être le CO₂ : il s’agit très probablement de diazote, qui n’a pas de test positif au collège et se reconnaît par élimination. C’est d’ailleurs le principal constituant de l’air, à 78 % en volume.

Un peu d’histoire

La chimie analytique naît au XVIII^e siècle avec l’idée qu’une substance peut être identifiée par ses réactions plutôt que par son aspect. Joseph Black, à Édimbourg, établit dès 1754 que l’air fixé — notre dioxyde de carbone — trouble l’eau de chaux : c’est la première utilisation documentée d’un test de reconnaissance de gaz, et elle a fondé la chimie des gaz.

Henry Cavendish isole le dihydrogène en 1766 et décrit sa combustion détonante, qu’il nomme « air inflammable ». Antoine Lavoisier montre en 1783 que cette combustion produit de l’eau, et en tire le nom d’hydrogène, « qui engendre l’eau ». C’est la démonstration qui achève de ruiner la théorie des quatre éléments, puisque l’eau, réputée élémentaire, se révèle composée.

Les tests des ions se systématisent au XIX^e siècle. Carl Remigius Fresenius publie en 1841 un traité d’analyse qualitative qui organise les cations en groupes selon leurs réactifs précipitants, méthode encore enseignée aujourd’hui. Quant au noircissement du chlorure d’argent à la lumière, observé dès 1727 par Johann Heinrich Schulze, il conduira un siècle plus tard à la photographie.

Les erreurs classiques

Confondre bûchette incandescente et bûchette enflammée. Incandescente pour le dioxygène, enflammée pour le dihydrogène. Une bûchette enflammée s’éteint ou brûle simplement dans le dioxygène, sans information utile.

Utiliser une eau de chaux déjà trouble. Elle a réagi avec le CO₂ de l’air et ne réagira plus. Il faut vérifier sa limpidité avant chaque test.

Dire que l’eau de chaux « change de couleur ». Elle forme un précipité blanc en suspension. Le liquide reste incolore, il devient opaque.

Conclure « c’est de l’eau » avec le sulfate de cuivre. Le test dit seulement qu’il y a de l’eau, pas que le liquide est de l’eau pure.

Tenir le tube de dihydrogène vers le haut. Ce gaz très léger s’échappe aussitôt et le test échoue.

Verser trop de soude. Un excès redissout certains précipités, notamment ceux du zinc et de l’aluminium, et le résultat devient illisible.

Croire qu’un test négatif prouve l’absence totale. Il prouve seulement l’absence en quantité détectable par ce test.

Exercices corrigés

Du tableau des réactifs à l’analyse complète.

Exercice 1

Réactifs et résultats

4e●○○

Indiquer, pour chaque espèce, le réactif ou le moyen utilisé et le résultat positif attendu.

1. Le dioxyde de carbone.
2. Le dioxygène.
3. Le dihydrogène.
4. L’eau.

Voir la correction

1. Eau de chaux : elle se trouble (blanc laiteux).
2. Bûchette incandescente : elle se rallume.
3. Flamme approchée de l’ouverture : détonation sèche, ou aboiement.
4. Sulfate de cuivre anhydre blanc : il bleuit.

Exercice 2

Le gaz du pain

4e●○○

On place un morceau de pain frais dans un tube à essai fermé par un bouchon traversé d’un tube coudé, dont l’autre extrémité plonge dans de l’eau de chaux. On chauffe doucement le pain.

1. De la buée apparaît sur les parois froides du tube. Comment vérifier que c’est bien de l’eau ?
2. L’eau de chaux se trouble. Que peut-on en conclure ?
3. Le pain noircit. S’agit-il d’un changement d’état ou d’une transformation chimique ? Justifier.
4. Pourquoi faut-il vérifier la limpidité de l’eau de chaux avant de commencer ?

Voir la correction

1. En déposant une goutte sur du sulfate de cuivre anhydre : s’il bleuit, c’est de l’eau.
2. Le chauffage du pain a produit du dioxyde de carbone.
3. Une transformation chimique : de nouvelles espèces apparaissent (eau, dioxyde de carbone, résidu noir de carbone) et le pain ne redeviendra jamais du pain en refroidissant.
4. Parce qu’une eau de chaux déjà troublée a déjà réagi avec le CO₂ de l’air et ne pourrait plus rien détecter.

Exercice 3

Identifier trois gaz

4e●●○

Trois tubes A, B et C contiennent chacun un gaz incolore : dioxygène, dioxyde de carbone et diazote, dans le désordre. On dispose d’eau de chaux et de bûchettes.

1. Proposer un protocole permettant d’identifier les trois gaz.
2. Dans le tube A, la bûchette incandescente se rallume. Conclure.
3. Dans le tube B, l’eau de chaux se trouble. Conclure.
4. Que peut-on dire du tube C sans faire aucun test supplémentaire ?

Voir la correction

1. Sur chaque tube : introduire une bûchette incandescente, puis, si elle ne se rallume pas, faire le test à l’eau de chaux.
2. Le tube A contient du dioxygène.
3. Le tube B contient du dioxyde de carbone.
4. Par élimination, le tube C contient du diazote, qui n’a pas de test positif au collège.

Exercice 4

Tests d’ions à la soude

3e●●○

Quatre solutions incolores ou légèrement colorées sont testées à la soude. On obtient : solution 1, précipité bleu ; solution 2, précipité rouille ; solution 3, précipité vert ; solution 4, précipité blanc.

1. Identifier l’ion métallique de chaque solution.
2. Pour la solution 4, peut-on conclure avec certitude ? Justifier.
3. Écrire l’équation de formation du précipité de la solution 1, sachant que l’ion cuivre II se note Cu²⁺.
4. Pourquoi faut-il ajouter la soude goutte à goutte et non en excès ?

Voir la correction

1. 1 : ion cuivre II Cu²⁺. 2 : ion fer III Fe³⁺. 3 : ion fer II Fe²⁺. 4 : ion zinc Zn²⁺ ou ion aluminium Al³⁺.
2. Non : le zinc et l’aluminium donnent tous deux un précipité blanc, indiscernables par ce seul test.
3. Cu²⁺ + 2 HO⁻ → Cu(OH)₂.
4. Parce qu’un excès de soude redissout certains précipités, en particulier ceux du zinc et de l’aluminium, ce qui fausserait la lecture.

Exercice 5

Analyse d’une eau de piscine

3e●●●

On analyse l’eau d’une piscine traitée au chlore.

1. Avec le nitrate d’argent, un abondant précipité blanc apparaît, qui noircit au bout de quelques minutes à la lumière. Quel ion est mis en évidence ? Écrire l’équation.
2. Le papier pH indique 7,2. Quel ion est en léger excès ?
3. Avec la soude, on n’observe aucun précipité coloré. Qu’en conclure ?
4. Pourquoi le précipité obtenu à la question 1 noircit-il à la lumière ? À quelle technique historique cela renvoie-t-il ?

Voir la correction

1. L’ion chlorure Cl⁻ : Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl.
2. pH un peu supérieur à 7 : léger excès d’ions hydroxyde HO⁻, l’eau est très faiblement basique.
3. L’eau ne contient pas d’ions cuivre, fer, zinc ni aluminium en quantité détectable, ce qui est attendu pour une eau de baignade.
4. Le chlorure d’argent se décompose sous l’action de la lumière en libérant de l’argent métallique, noir. C’est le principe de la photographie argentique.

Exercice 6

Une enquête complète

3e●●●

Un cachet effervescent est jeté dans un verre d’eau. Un gaz se dégage abondamment.

1. On recueille le gaz et on le fait buller dans l’eau de chaux : elle se trouble. Quel est ce gaz ?
2. On approche une bûchette incandescente du verre : elle s’éteint. Ce résultat est-il cohérent avec la question 1 ? Justifier.
3. La solution obtenue a un pH de 6,0. Quel ion est en excès ? Est-ce cohérent avec la nature du gaz dissous ?
4. On évapore quelques gouttes de la solution sur une plaque : il reste un dépôt blanc. Que montre cette observation, et que ne montre-t-elle pas ?

Voir la correction

1. Du dioxyde de carbone.
2. Oui : le dioxyde de carbone n’entretient pas la combustion, il l’éteint. C’est d’ailleurs pourquoi on l’utilise dans les extincteurs.
3. pH inférieur à 7 : excès d’ions hydrogène H⁺, la solution est acide. C’est cohérent : le dioxyde de carbone dissous dans l’eau l’acidifie.
4. Elle montre que la solution contenait des espèces dissoutes non volatiles, donc que ce n’était pas de l’eau pure. Elle ne dit pas lesquelles : il faudrait des tests d’ions pour les identifier.

Quiz : dix questions pour vérifier

1. Le réactif du dioxyde de carbone est…

   le sulfate de cuivre anhydrel’eau de chauxle nitrate d’argentla soude
2. Pour tester le dioxygène, on utilise une bûchette…

   enflamméeincandescentemouilléeéteinte depuis longtemps
3. Le dihydrogène se reconnaît par…

   un trouble blancune détonation sèche à l’approche d’une flammeun précipité vertun changement de pH
4. Le sulfate de cuivre anhydre est une poudre…

   bleue qui blanchit avec l’eaublanche qui bleuit avec l’eauverte qui rougitnoire qui blanchit
5. Un précipité rouille obtenu avec la soude révèle…

   l’ion cuivre IIl’ion fer IIl’ion fer IIIl’ion zinc
6. Le réactif de l’ion chlorure est…

   la soudele nitrate d’argentl’eau de chauxle papier pH
7. Pourquoi tenir le tube de dihydrogène ouverture vers le bas ?

   pour éviter les projectionsparce que le dihydrogène est bien plus léger que l’airpour mieux voir la flammeparce qu’il est plus lourd que l’air
8. Le diazote se reconnaît…

   à l’eau de chauxpar un précipité blancpar élimination, aucun test positif au collègeà la soude
9. Le trouble de l’eau de chaux est dû…

   à un changement de couleur du liquideà un précipité solide de carbonate de calciumà des bulles de gazà une évaporation
10. Un test négatif prouve…

    l’absence totale de l’espèceson absence en quantité détectable par ce testque le réactif est périméqu’il faut recommencer

Corriger le quizRecommencer

Fiche : ce qu’il faut retenir

Questions fréquentes

Pour continuer