Etude des mélanges - Notion de corps pur

I. Corps pur et mélange

1. L'eau minérale est-elle un mélange homogène ?

• L'eau pure a pour formule $H_2O$. Mais l'eau que nous buvons est-elle uniquement composée de molécules $H_2O$ ?

• Voici l'étiquette d'une bouteille d'eau minérale naturelle :

  $\circ\quad$ Calcium : $63~\text{mg/L}$ ;

  $\circ\quad$ Bicarbonates : $173,2~\text{mg/L}$ ;

  $\circ\quad$ Magnésium : $10,2~\text{mg/L}$ ;

  $\circ\quad$ Sulfates : $51,3~\text{mg/L}$ ;

  $\circ\quad$ Sodium : $1,4~\text{mg/L}$ ;

  $\circ\quad$ Nitrates : $2~\text{mg/L}$ ;

  $\circ\quad$ Potassium : $0,4~\text{mg/L}$ ;

  $\circ\quad$ Chlorures : $\lt 1~\text{mg/L}$.

• À partir de là, il est clair que l'eau que nous buvons n'est pas composée uniquement d'eau pure.

• Les espèces chimiques qui se trouvent dans l'eau pure donnent à chaque source des qualités différentes.

• En conclusion, une eau d'apparence homogène peut contenir d'autres substances que l'eau.

• Expérience par évaporation :

  $\circ\quad$ Grâce à une expérience très simple, il est possible de démontrer que des liquides d'apparence homogène peuvent contenir d'autres composés.

  $\circ\quad$ Pour ce faire, 1 litre de cette eau minérale (dont l'étiquette est ci-dessus) est versée dans un bécher et est chauffée à $180^oC$.

  

  $\circ\quad$ En éliminant totalement l'eau, on obtient en moyenne $240~\text{mg}$ d'un résidu sec solide. Ceci illustre bien le fait que l'eau minérale n'est pas pure.

2. Distillation de l'eau minérale

• Il a été vu précédemment que le chauffage de l'eau minérale permettait l'obtention d'un résidu sec correspondant aux espèces chimiques contenues dans l'eau.

• La vapeur ainsi éliminée ne contenait donc pas ces composés. Si était possible de liquéfier cette vapeur, l'eau ainsi obtenue serait pure (eau distillée).

• Comme son nom l'indique, l'eau distillée est obtenue par distillation de l'eau minérale :

  

  $\circ\quad$ L'eau pure va s'évaporer dans le tube puis se liquéfier dans le réfrigérant et tomber dans l'erlenmeyer.

  $\circ\quad$ Le distillat sera donc de l'eau pure et le résidu de distillation, le solide restant.

3. Définitions

• Un corps pur est une substance constituée d'atomes ou de molécules de la même espèce chimique (par exemple l'eau pure ne contient que des molécules $H_2O$). En d'autres termes, cette espèce chimique ne peut pas être décomposée, c'est-à-dire qu'elle ne comporte pas plusieurs espèce chimiques différentes (c'est-à-dire qu'un seul constituant).

• Un mélange est une substance (liquide, solide ou gaz) constituée de plusieurs corps purs.

• Remarques :

  $\circ\quad$ Un mélange est donc une introduction dans un même récipient de plusieurs substances qui n'ont pas forcément le même état ;

  $\circ\quad$ Un mélange aqueux est un mélange contenant de l'eau liquide.

III. Les mélanges homogènes et hétérogènes

1. Rappels

• Lorsque deux substances sont mélangées, il peut y avoir 2 cas rencontrés : le mélange homogène et le mélange hétérogène. Ces derniers ont été introduits dans la fiche de cours suivante :

  L'eau solvant

  $\circ\quad$ Mélange homogène : mélange contenant des substances que l'on ne peut pas distinguer les unes des autres ;

  $\circ\quad$ Mélange hétérogène : mélange contenant des substances que l'on peut distinguer les unes des autres.

• Exemples :

  $\circ\quad$Mélanges homogènes :

  $\Longrightarrow$ Eau + Cola frais ;

  $\Longrightarrow$ Vinaigre + Jus de citron ;

  $\Longrightarrow$ Cola + Jus de citron ;

  $\Longrightarrow$ Eau gazéifiée + Vinaigre d'alcool ;

  $\Longrightarrow$ Eau + Vinaigre de vin ;

  $\circ\quad$Mélanges hétérogènes :

  $\Longrightarrow$ Huile + Vinaigre de vin ;

  $\Longrightarrow$ Huile + Cola ;

  $\Longrightarrow$ Huile + Vinaigre d'alcool ;

  $\Longrightarrow$ Eau gazéifiée + Huile ;

  $\Longrightarrow$ Eau + Huile.

II. Obtention d'une solution aqueuse limpide à partir d'un mélange hétérogène

1. La décantation (rappel)

• Définition :

  $\circ\quad$ La décantation consiste à séparer les phases d'un mélange hétérogène liquide.

  $\circ\quad$ Elle se fait dans une ampoule à décanter.

• Protocole expérimental :

  $\circ\quad$ On introduit le mélange hétérogène dans l'ampoule à décanter et on attend que les 2 phases se séparent : c'est la phase de décantation ;

  $\circ\quad$ Une fois que les deux phases sont nettement séparées, on ouvre le robinet afin de récupérer (ou d'éliminer) la phase située en dessous (ici, la phase aqueuse) : c'est la phase de séparation ;

  $\circ\quad$ Les phases sont séparées, l'opération est terminée.

• Remarque :

  La position de la phase organique ne sera pas la même suivant la masse volumique (voire la densité) du solvant extracteur par rapport à celle du solvant de départ :
  $\circ\quad$ Si sa masse volumique lui est inférieure, alors la phase organique sera au-dessus du solvant de départ ;
  $\circ\quad$ Si sa masse volumique lui est supérieur, alors la phase organique sera en-dessous du solvant de départ.

  Cette notion de masse volumique sera vue plus en détail en classe de 4^e.

2. La filtration (rappel)

• Définition :

  $\circ\quad$ La filtration consiste à séparer la phase solide de la phase liquide d'un mélange.

  $\circ\quad$ Elle se fait à l'aide d'un entonnoir et d'un papier filtre.

• Protocole expérimental :

  

  $\circ\quad$ On introduit le mélange (dans notre exemple, il s'agit d'eau et de sable) dans l'entonnoir muni du papier filtre ;

  $\circ\quad$ Le liquide va s'écouler à travers le papier filtre alors que le sable va être retenu ;

  $\circ\quad$ Il ne faut pas oublier d'agiter le sable car il pourrait bloquer la sortie de la phase aqueuse ;

  $\circ\quad$ L'opération est terminée quand la totalité de la phase aqueuse de l'entonnoir est dans le tube à essai.

3. La centrifugation (pour aller plus loin) :

• Définition :

  La centrifugation est une méthode de séparation consistant à faire tourner le produit à grande vitesse afin d'en séparer les constituants.

• Exemple : les apiculteurs utilisent de procédé pour extraire le miel des alvéoles constituées par les abeilles.

III. Obtention d'une solution aqueuse limpide à partir d'un mélange homogène

1. Par chauffage (rappel)

• Cette méthode a été introduite au §I.

• Définition :

  Température d'ébullition : température de passage de l'état liquide à l'état gazeux.

• Protocole expérimental :

  $\circ\quad$ Le chauffage peut uniquement être utilisé si la phase à éliminer est plus volatile que l'eau.

  $\circ\quad$L'opération consiste à porter le mélange à la température d'ébullition (plus basse que celle de l'eau).

  $\circ\quad$ Arrivé à cette température d'ébullition, cette substance va se vaporiser, laissant l'eau dans son état liquide.

  $\circ\quad$ Au bout d'une certaine durée de chauffage, il peut être arrêté. Il nous reste alors de l'eau liquide si la température d'ébullition est inférieure à $100^oC$ (correspondant à celle de l'eau pure dans des conditions normales de pression).

2. Par distillation (rappel)

• Cette opération peut être utilisée quelle que soit la température d'ébullition du composé à éliminer. Elle a également été introduite au §I.

• La technique est la même que pour le chauffage sauf que dans le cas de la distillation, la vapeur qui va s'élever dans le tube va se liquéfier dans le réfrigérant.

• Le composé récupéré s'appelle le distillat et ce qui reste dans le ballon est appelé résidu de distillation.

_{= Merci à Skops pour avoir contribué à l'élaboration de cette fiche =}