Karamö, le prof virtuelLeçon 3 sur 16
Techniques de séparation des mélanges
Je sais choisir et décrire la technique qui permet de séparer les constituants d'un mélange, selon qu'il est hétérogène ou homogène.
- 55 min
- 5 exercices corrigés
- 1 schéma
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Décrire la décantation, la filtration, la centrifugation et le tri magnétique pour les mélanges hétérogènes
- Décrire l'évaporation, la cristallisation, la distillation et l'extraction par solvant pour les mélanges homogènes
- Expliquer le principe d'une chromatographie
- Choisir une suite de techniques pour séparer un mélange réel
Avant de commencer : Les leçons « Corps purs et mélanges » : mélange homogène ou hétérogène, miscibilité, masse volumique, température d'ébullition.
1Je découvre
Pendant la saison des pluies, à Faranah, l'eau que Mamadou puise dans le Niger est brune. Sa grand-mère la verse dans une grande jarre et la laisse reposer toute la nuit : le matin, la boue est au fond et l'eau du dessus est plus claire. Elle la verse ensuite à travers un linge propre plié en quatre, puis la fait bouillir avant de la boire.
Sur la côte, près de Boffa, les saunières font chauffer de l'eau de mer dans de larges bassines jusqu'à ce qu'il ne reste plus que des cristaux blancs de sel. À Siguiri, les orpailleurs agitent le sable aurifère dans une calebasse avec de l'eau : le sable léger part avec l'eau, les paillettes d'or, très lourdes, restent au fond.
Toutes ces personnes séparent des mélanges, chacune avec une technique différente. Mamadou se demande pourquoi on ne peut pas récupérer le sel de l'eau de mer avec un linge, comme la boue.
Quelle technique faut-il choisir pour séparer les constituants d'un mélange, et sur quelle propriété repose chacune ?
2Je comprends
Chaque technique de séparation utilise une différence de propriété entre les constituants : taille des grains, masse volumique, température d'ébullition, solubilité, propriétés magnétiques… Le premier réflexe est donc de savoir si le mélange est hétérogène ou homogène.
1. Séparer un mélange hétérogène
La décantation. On laisse reposer le mélange : les particules solides plus denses que le liquide tombent au fond (le dépôt), le liquide du dessus (le liquide surnageant) s'éclaircit. On le récupère en le versant doucement : c'est le transvasement. La décantation sépare aussi deux liquides non miscibles, avec une ampoule à décanter : on ouvre le robinet pour faire couler le liquide le plus dense, placé en bas.
La filtration. On verse le mélange sur un filtre (papier filtre plié dans un entonnoir, tissu, sable). Les particules plus grosses que les trous du filtre sont retenues (le résidu) ; le liquide qui passe s'appelle le filtrat. Le filtrat d'une eau boueuse est limpide, mais il peut encore contenir des substances dissoutes et des microbes : la filtration ne rend pas l'eau pure.
La centrifugation. On fait tourner très vite les tubes contenant le mélange : les particules les plus denses sont projetées au fond bien plus vite que par simple décantation. On l'utilise au laboratoire d'analyses médicales pour séparer les globules du plasma sanguin.
Le tri magnétique. Un aimant attire le fer, le nickel et le cobalt. On sépare ainsi de la limaille de fer mélangée à du sable ou à du soufre.
Le lavage par différence de masse volumique. C'est la technique de l'orpailleur : dans un courant d'eau, le sable (masse volumique voisine de 2,6 g/cm³) est entraîné, alors que l'or (19,3 g/cm³) reste au fond de la calebasse ou de la batée.
2. Séparer un mélange homogène
L'évaporation. On chauffe une solution (ou on la laisse au soleil) : le solvant s'évapore et le soluté solide reste. C'est la méthode du sel de Boffa. On perd le solvant.
La cristallisation. On évapore une partie du solvant puis on laisse refroidir lentement : le soluté se dépose sous forme de cristaux plus purs. On récupère les cristaux par filtration.
La distillation. On chauffe le mélange liquide dans un ballon. Le constituant le plus volatil (la plus basse température d'ébullition) se vaporise le premier ; ses vapeurs passent dans un réfrigérant (tube refroidi par un courant d'eau froide) où elles se condensent ; le liquide recueilli est le distillat. On obtient ainsi de l'eau distillée à partir d'eau salée, ou on sépare l'alcool (78 °C) de l'eau (100 °C). Dans le ballon, on ajoute quelques grains de pierre ponce pour régulariser l'ébullition.
- 1Chauffer le ballon contenant le mélange et quelques grains de pierre ponce.
- 2Le constituant le plus volatil atteint sa température d'ébullition et se vaporise.
- 3Le thermomètre, placé à la sortie des vapeurs, indique cette température.
- 4Les vapeurs traversent le réfrigérant où circule de l'eau froide, et se condensent.
- 5Le liquide obtenu, le distillat, est recueilli dans un erlenmeyer.
L'extraction par solvant. On veut sortir une espèce chimique d'un mélange. On ajoute un solvant d'extraction qui doit : dissoudre beaucoup mieux l'espèce que le solvant de départ, et ne pas être miscible avec lui. On agite dans une ampoule à décanter, on laisse reposer : l'espèce est passée dans le solvant d'extraction, que l'on sépare par décantation. Exemple : extraire le diiode d'une eau iodée avec du cyclohexane, qui se colore en violet.
La chromatographie. On dépose une goutte du mélange (par exemple une encre) sur une bande de papier dont le bas trempe dans un solvant (l'éluant). Le solvant monte par capillarité et entraîne les constituants à des vitesses différentes : ils se séparent en taches distinctes. Une encre noire peut ainsi révéler du bleu, du jaune et du rouge. La chromatographie sert à identifier les constituants d'un mélange en comparant les taches avec celles de corps purs connus.
3. Tableau de synthèse
| Technique | Mélange | Propriété utilisée |
|---|---|---|
| Décantation | hétérogène | masse volumique |
| Filtration | hétérogène (solide + liquide) | taille des particules |
| Centrifugation | hétérogène | masse volumique |
| Tri magnétique | hétérogène (solides) | attraction par un aimant |
| Évaporation, cristallisation | homogène (solide dissous) | volatilité du solvant, solubilité |
| Distillation | homogène (liquides) | température d'ébullition |
| Extraction par solvant | homogène ou non | solubilité, non-miscibilité |
| Chromatographie | homogène | vitesse d'entraînement par l'éluant |
4. Enchaîner plusieurs techniques
Un mélange réel demande souvent plusieurs étapes, dans le bon ordre. Pour séparer sable + sel + limaille de fer : 1) tri magnétique pour retirer le fer ; 2) ajout d'eau et agitation pour dissoudre le sel ; 3) filtration : le sable reste sur le filtre ; 4) évaporation du filtrat : le sel reste.
Méthode
Pour choisir une technique de séparation :
- J'identifie le type de mélange : hétérogène (constituants visibles) ou homogène.
- Je cherche la propriété qui différencie les constituants (taille, masse volumique, magnétisme, ébullition, solubilité).
- Je choisis la technique qui utilise cette propriété (tableau de synthèse).
- Pour un mélange complexe, je commence par les constituants les plus faciles à retirer, puis j'enchaîne les étapes.
- Je nomme ce que j'obtiens à chaque étape (dépôt, résidu, filtrat, distillat, cristaux).
Exemple
Récupérer le sel de l'eau de mer.
L'eau de mer contient en moyenne environ 35 g de sels dissous par litre, dont la plus grande partie est du chlorure de sodium.
Question : quelle masse de sels peut-on espérer en évaporant complètement 20 L d'eau de mer ?
m = 35 g/L × 20 L = 700 g de sels.
Le linge ne peut pas retenir le sel, car il est dissous : ses particules sont bien plus petites que les trous du tissu. Il faut évaporer l'eau.
Exemple
Séparer l'eau et l'alcool.
On dispose d'un mélange eau + éthanol (miscibles, donc homogène). Décantation et filtration sont inutiles.
L'éthanol bout à 78 °C, l'eau à 100 °C : on réalise une distillation.
Le premier distillat recueilli, lorsque le thermomètre indique environ 78 °C, est riche en éthanol.
(En pratique, une distillation simple ne donne pas de l'éthanol parfaitement pur : on obtient un mélange très enrichi en alcool.)
3Je retiens
Je retiens
Mélange hétérogène : décantation (masse volumique), filtration (taille), centrifugation, tri magnétique.
Filtration : le solide retenu est le résidu, le liquide qui passe est le filtrat.
Mélange homogène : évaporation / cristallisation (récupérer un solide dissous), distillation (séparer des liquides d'après leur température d'ébullition).
Distillation : le constituant le plus volatil se vaporise d'abord, se condense dans le réfrigérant et donne le distillat.
Extraction : le solvant d'extraction dissout mieux l'espèce et n'est pas miscible avec le solvant de départ.
Chromatographie : sépare et identifie les constituants d'un mélange homogène.
4Erreurs fréquentes
- Vouloir filtrer une solution pour retirer ce qui est dissous : l'eau salée filtrée reste salée. Il faut évaporer ou distiller.
- Croire qu'une eau limpide après filtration est pure ou potable : elle contient encore des sels dissous et peut contenir des microbes.
- Choisir un solvant d'extraction miscible avec l'eau (comme l'éthanol) : on ne peut plus séparer les deux liquides par décantation.
- Mal ordonner les étapes : si l'on dissout et filtre avant de retirer la limaille, le fer reste mêlé au sable sur le filtre ; il faut trier d'abord ou reprendre le résidu.
5Je m’exerce
1Exercice 1
Nomme la technique la plus adaptée pour séparer : a) l'eau et l'huile de palme ; b) la boue et l'eau d'un marigot ; c) le sel de l'eau salée ; d) la limaille de fer et la poudre de soufre ; e) les colorants d'une encre.
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a) Décantation dans une ampoule à décanter (liquides non miscibles).
b) Décantation puis filtration.
c) Évaporation (ou cristallisation) ; la distillation permet en plus de récupérer l'eau.
d) Tri magnétique avec un aimant.
e) Chromatographie.
2Exercice 2
Lors d'une filtration d'eau boueuse, nomme : a) ce qui reste sur le papier filtre ; b) le liquide recueilli sous l'entonnoir. c) Ce liquide est-il de l'eau pure ? Justifie.
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a) Le résidu (la boue).
b) Le filtrat.
c) Non : le filtrat peut contenir des substances dissoutes (sels minéraux) et des microbes ; c'est un mélange homogène, pas un corps pur.
3Exercice 3
Recopie et complète : « Au cours d'une distillation, le liquide qui a la température d'ébullition la plus … se vaporise en premier. Les vapeurs se … dans le … . Le liquide recueilli s'appelle le … . »
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« … le liquide qui a la température d'ébullition la plus basse se vaporise en premier. Les vapeurs se condensent dans le réfrigérant. Le liquide recueilli s'appelle le distillat. »
4Exercice 4
On veut extraire le diiode dissous dans de l'eau. On dispose de trois solvants :
| Solvant | Miscible avec l'eau ? | Solubilité du diiode |
|---|---|---|
| Éthanol | oui | très grande |
| Cyclohexane | non | très grande |
| Eau | — | faible |
a) Quel solvant faut-il choisir ? Justifie avec deux arguments.
b) Décris les étapes de l'extraction et le matériel utilisé.
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a) Le cyclohexane : il dissout très bien le diiode (bien mieux que l'eau) et il n'est pas miscible avec l'eau, ce qui permet de séparer ensuite les deux phases. L'éthanol ne convient pas, car il est miscible avec l'eau.
b) On verse l'eau iodée et le cyclohexane dans une ampoule à décanter ; on bouche, on agite en ouvrant de temps en temps le robinet pour dégazer ; on laisse reposer : deux phases se forment, le cyclohexane coloré en violet par le diiode au-dessus (moins dense que l'eau), l'eau décolorée en dessous. On ouvre le robinet pour évacuer la phase aqueuse, puis on recueille la phase organique contenant le diiode.
5Exercice 5
(Synthèse) Aïssatou possède un mélange de sable, de sel de cuisine et de limaille de fer.
a) Ce mélange est-il homogène ou hétérogène ?
b) Propose, dans l'ordre, les techniques qui permettent de récupérer séparément les trois constituants.
c) Elle récupère 36 g de sel à partir de 150 g de mélange. Calcule le pourcentage massique de sel dans le mélange.
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a) Hétérogène : on distingue les grains de sable, les cristaux de sel et la limaille.
b) 1) Tri magnétique : l'aimant retire la limaille de fer. 2) On ajoute de l'eau et on agite : le sel se dissout. 3) Filtration : le sable reste sur le filtre (résidu), l'eau salée passe (filtrat). 4) Évaporation du filtrat : on récupère le sel.
c) \%m(sel) = 36150 × 100 = 24 \%.
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
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