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Distillation et purification de l'eau

Obtenir un corps pur à partir d'un mélange.

Chimie 5ème Chapitre 3 / 7 ⏱ 5 h

Ce que tu sauras faire à la fin

  • Schématiser un montage de distillation
  • Distinguer corps pur et mélange par sa température d'ébullition
  • Décrire une méthode de potabilisation

Ouvre le robinet chez toi : l'eau qui coule semble limpide, mais elle n'est jamais totalement « pure » au sens du chimiste. Elle transporte des sels minéraux dissous, un peu de calcaire, parfois un reste de chlore ajouté pour la désinfecter. L'eau de mer, elle, contient beaucoup plus de sel encore — environ 35 grammes par litre. Comment fait-on, alors, pour obtenir de l'eau vraiment pure, sans rien y ajouter ni rien y retirer à la main ?

La nature et les chimistes utilisent depuis très longtemps la même astuce : faire changer l'eau d'état. Dans ce chapitre, tu vas découvrir la distillation, une technique qui sépare les constituants d'un mélange homogène grâce à leurs différentes températures d'ébullition. Tu apprendras à construire et à légender un montage complet, à distinguer le distillat du résidu, et à reconnaître un corps pur grâce à sa courbe de température.

Tu verras enfin comment ces mêmes principes permettent, de Dakar à Abidjan en passant par Ndjamena, de transformer une eau de rivière ou une eau de mer en eau potable. Ce chapitre prolonge ce que tu sais déjà sur les changements d'état (fusion, vaporisation, condensation) et sur les mélanges homogènes et hétérogènes.

Garde une idée simple en tête tout au long du chapitre : dans une distillation, rien ne disparaît et rien n'apparaît — on ne fait que trier ce qui était déjà présent dans le mélange de départ.

1Principe de la distillation

L'eau salée est un mélange homogène : à l'œil, on ne distingue pas le sel dissous dans l'eau, et un simple filtre ne sépare rien du tout. Pour récupérer l'eau seule, il faut une autre idée : profiter du fait que l'eau et le sel ne changent pas d'état à la même température.

Définition

La distillation est une technique de séparation qui permet d'isoler les constituants d'un mélange homogène (comme l'eau salée) grâce à leurs différentes températures d'ébullition. Elle repose sur deux changements d'état successifs : la vaporisation (liquide → gaz) puis la condensation (gaz → liquide).

Voici l'idée en trois temps. On chauffe le mélange : l'eau, volatile, se vaporise la première et s'échappe sous forme de vapeur, tandis que le sel, non volatil, reste dans le liquide restant. On refroidit ensuite cette vapeur, qui se recondense en un liquide que l'on recueille dans un autre récipient : c'est ce liquide, presque pur, que l'on cherche à obtenir.

Propriété

Au cours d'une distillation, seule l'eau se vaporise puis se condense : les substances dissoutes non volatiles, comme le sel, restent entièrement dans le récipient de départ. La distillation ne change ni la nature, ni la quantité de matière des constituants du mélange : elle se contente de les séparer.

1.1  Un cousin plus simple : l'évaporation

Sur les rives du lac Retba (le « lac Rose »), tout près de Dakar, on récolte le sel depuis des générations sans aucun appareil compliqué. On pompe l'eau du lac, très salée, dans de grands bassins peu profonds exposés au soleil. Sous l'effet de la chaleur, l'eau s'évapore lentement, jour après jour : au bout de quelques semaines, seul le sel solide reste au fond des bassins, prêt à être ramassé.

Marais salants du lac Retba : évaporation de l'eau salée Eau salée(lac / mer) Bassin 1 Bassin 2 Bassin 3 Cristaux de sel (NaCl) l'eau s'évapore : elle part dans l'air
Figure 1 — Dans les marais salants du lac Retba, le Soleil fait évaporer l'eau, bassin après bassin ; le sel, non volatil, se dépose au fond. On récupère ici le solide — c'est l'inverse de la distillation, où l'on récupère le liquide.
Attention

Ne confonds pas évaporation simple et distillation. Dans les marais salants, la vapeur d'eau part dans l'air : on la perd, et on récupère le solide. Dans une distillation, on récupère au contraire la vapeur, en la recondensant : c'est le liquide que l'on veut, et le solide qui reste de côté.

Exemple — quel volume d'eau doit s'évaporer ?

Un bassin rectangulaire de 200 m² contient une couche d'eau salée de 5 cm de hauteur. Quel volume d'eau doit s'évaporer pour que le bassin soit à sec ?

  1. V=surface×hauteurV = \text{surface} \times \text{hauteur}
  2. ==200×0,05200 \times 0{,}055 cm = 0,05 m
  3. ==10 m310\ \text{m}^{3}
  4. ==10 00010\,000 L1 m3=1 0001\ \text{m}^{3} = 1\,000 L
Chimie & Co — L'alambic, un outil vieux de deux mille ans

Vers l'an 300 de notre ère, en Égypte, l'alchimiste Zosime de Panopolis décrit les premiers appareils de distillation connus, ancêtres de l'alambic. Le mot lui-même vient de l'arabe al-anbîq : les savants du monde arabo-musulman, comme Jabir ibn Hayyan (mort vers 815), perfectionnent l'appareil pour purifier des liquides et fabriquer des parfums.

Ces techniques se répandent ensuite en Europe au Moyen Âge, et le principe — chauffer, puis refroidir la vapeur — reste exactement celui que tu étudies aujourd'hui, seize siècles plus tard.

1.2  La distillation : récupérer le liquide

Tu as déjà observé le principe inverse sans le savoir. Quand une casserole d'eau bout, de la vapeur s'élève. Si tu poses un couvercle froid au-dessus, des gouttes d'eau se forment dessous : c'est de la buée, c'est-à-dire de la vapeur d'eau qui vient de se condenser au contact d'une surface froide. La distillation utilise exactement ce phénomène, mais de façon contrôlée : on guide la vapeur vers une paroi froide bien précise, pour recueillir le liquide qui s'y forme.

Exemple — la buée sur un couvercle froid

Une casserole d'eau salée bout. De la vapeur d'eau s'élève ; elle ne contient aucun sel, car le sel, non volatil, reste dans l'eau liquide de la casserole. Au contact du couvercle froid, cette vapeur se condense en gouttelettes : ces gouttelettes sont de l'eau sans sel, même si l'eau de la casserole, elle, est salée. C'est exactement le principe du distillat.

2Montage et rôle du réfrigérant

Pour distiller au laboratoire, on assemble plusieurs pièces de verre sur un support. Chaque pièce a un rôle précis, et l'ordre dans lequel elles sont placées n'est jamais laissé au hasard.

Définition

Le réfrigérant est la pièce de verre qui refroidit la vapeur pour la transformer en liquide. Il est formé de deux tubes emboîtés : la vapeur circule dans le tube intérieur, tandis qu'un courant d'eau froide circule en permanence dans l'enveloppe extérieure.

2.1  Les éléments du montage

Un montage de distillation complet comporte, dans l'ordre où la vapeur les traverse :

  • le ballon, qui contient le mélange à distiller (ici, l'eau salée) ;
  • le chauffe-ballon, qui apporte la chaleur nécessaire à l'ébullition ;
  • le thermomètre, placé au niveau de la sortie de vapeur, pour mesurer sa température ;
  • le réfrigérant, où la vapeur se condense au contact des parois froides ;
  • un récipient collecteur (erlenmeyer ou éprouvette), où l'on recueille le distillat.
Montage de distillation de l'eau salée eau salée Thermomètre Réfrigérant Sortie d'eau tiède Entrée d'eau froide Distillat(eau presque pure) Chauffe-ballon Résidu :le sel reste ici
Figure 2 — Montage annoté de distillation : le ballon contient l'eau salée, chauffée par le chauffe-ballon ; le thermomètre mesure la température de la vapeur ; le réfrigérant, parcouru par un courant d'eau froide, condense la vapeur en distillat, recueilli dans l'erlenmeyer. Le sel reste dans le ballon.
Méthode — légender un montage de distillation

Repère toujours, dans l'ordre, le trajet de la matière : le liquide de départ (dans le ballon), la source de chaleur (sous le ballon), le thermomètre (à la sortie de la vapeur, jamais plongé dans le liquide), le réfrigérant (avec ses deux arrivées d'eau), puis le récipient collecteur. Termine toujours en indiquant où se trouve le résidu.

Attention

Un piège classique : placer le thermomètre dans le liquide du ballon. Il indiquerait alors la température du liquide, pas celle de la vapeur qui s'échappe — la lecture serait fausse. Le réservoir du thermomètre doit être placé au niveau de la sortie de vapeur, juste avant l'entrée du réfrigérant.

2.2  Le sens de circulation de l'eau

Dans le réfrigérant, l'eau de refroidissement circule à contre-courant de la vapeur : elle entre du côté le plus proche du récipient collecteur, et ressort du côté le plus proche du ballon. Ainsi, la vapeur la plus chaude (côté ballon) rencontre de l'eau déjà un peu réchauffée, tandis que le distillat, presque froid, achève de se refroidir au contact de l'eau la plus froide, tout juste arrivée. Ce sens de circulation rend le refroidissement plus efficace sur toute la longueur du réfrigérant.

Exemple — pourquoi le contre-courant est plus efficace

Si l'eau circulait dans le même sens que la vapeur, elle se réchaufferait progressivement en avançant, et arriverait déjà tiède à l'endroit où la vapeur, encore très chaude, en aurait le plus besoin. En sens inverse, c'est toujours de l'eau relativement froide qui rencontre la vapeur la plus chaude : l'écart de température reste grand tout au long du tube, donc la condensation est meilleure.

Exemple — un débit d'eau pour toute la distillation

De l'eau circule dans le réfrigérant à un débit de 1,5 L/min pendant toute une distillation qui dure 20 minutes. Quel volume d'eau a circulé au total ?

  1. V=deˊbit×dureˊeV = \text{débit} \times \text{durée}
  2. ==1,5×201{,}5 \times 20
  3. ==3030 L

3Distillat et résidu

À la fin d'une distillation, le ballon de départ ne contient plus un seul liquide : il en contient deux, séparés dans deux récipients différents. Il faut apprendre à nommer chacun d'eux correctement.

Définition

Le distillat est le liquide recueilli à la sortie du réfrigérant : c'est le produit purifié de la distillation. Le résidu est ce qui reste dans le ballon de départ : les substances non volatiles, comme les sels dissous, s'y trouvent de plus en plus concentrées à mesure que l'eau s'en va.

3.1  L'eau distillée n'est pas l'eau minérale

Verse un peu d'eau distillée et un peu d'eau minérale dans deux coupelles, puis fais-les s'évaporer complètement sur une plaque chauffante. Le résultat n'est pas le même. L'eau minérale contient des sels dissous (calcium, magnésium…) qui lui donnent son goût ; en s'évaporant, elle laisse derrière elle un dépôt blanc bien visible. L'eau distillée, presque dépourvue de sels, ne laisse quasiment rien.

Propriété

Quand on fait s'évaporer complètement un volume connu d'eau, la matière solide qui reste s'appelle le résidu sec. Plus une eau contient de substances dissoutes, plus son résidu sec est important. On exprime souvent une teneur en résidu sec, en milligrammes par litre (mg/L).

3.2  Le test du résidu sec

Méthode — réaliser un test de résidu sec

1) Peser une coupelle vide et propre. 2) Y verser un volume précis d'eau à étudier. 3) Faire chauffer doucement jusqu'à évaporation totale du liquide. 4) Peser à nouveau la coupelle : la différence de masse donne la masse du résidu sec. 5) Diviser par le volume de départ pour obtenir une teneur, en mg/L.

Test du résidu sec : eau distillée contre eau minérale Eau distilléeEau minérale évaporationévaporation aucun résidu résidu blanc (sels) plaque chauffanteplaque chauffante
Figure 3 — On évapore le même volume d'eau distillée et d'eau minérale. L'eau distillée ne laisse presque aucun résidu ; l'eau minérale laisse un dépôt blanc de sels dissous.
Exemple — calculer une teneur en résidu sec

Une coupelle vide pèse 42,300 g. On y verse 50 mL d'eau minérale, on fait évaporer complètement, puis on pèse à nouveau : 42,340 g. Quelle est la teneur en résidu sec de cette eau, en mg/L ?

  1. mreˊsidu=42,340−42,300m_{\text{résidu}} = 42{,}340 - 42{,}300
  2. ==0,0400{,}040 g =40= 40 mg
  3. 5050 mL =0,050= 0{,}050 L
  4. teneur =400,050= \dfrac{40}{0{,}050}
  5. ==800800 mg/L
Exemple — et pour de l'eau distillée ?

Avec le même protocole sur 50 mL d'eau distillée, la coupelle repèse 42,301 g, soit une différence de seulement 1 mg — presque rien, comparé aux 40 mg trouvés pour l'eau minérale. C'est bien la preuve que la distillation a éliminé l'essentiel des sels dissous.

Attention

« Eau distillée » ne veut pas dire « eau parfaite à boire ». Le test du résidu sec ne détecte que les substances dissoutes : il ne dit rien sur la présence éventuelle de microbes, invisibles à l'œil nu. De plus, une eau distillée bue en grande quantité, sans aucun sel minéral, n'est pas idéale pour la santé au quotidien : les eaux minérales apportent des sels utiles à l'organisme.

Chimie & Co — Aristote et l'eau de mer

Dès le IVᵉ siècle avant notre ère, le philosophe grec Aristote observe, dans son traité Météorologiques, que la vapeur qui s'élève au-dessus de l'eau de mer, une fois recondensée, redevient douce et buvable. Le mécanisme exact — la non-volatilité du sel — ne sera compris que bien plus tard, mais c'est l'une des toutes premières descriptions écrites du principe de la distillation, vingt-quatre siècles avant toi.

4Température d'ébullition et corps pur

Comment être sûr, sans faire de test chimique compliqué, qu'un liquide est de l'eau pure et non un mélange ? Il suffit de le chauffer et de surveiller sa température : sa manière de bouillir trahit sa nature.

Définition

Un corps pur est une substance formée d'une seule espèce chimique, comme l'eau seule, de formule H2O\text{H}_2\text{O}. Un mélange contient au moins deux espèces chimiques différentes, comme l'eau salée (eau + NaCl\text{NaCl} dissous).

Propriété

Sous une pression donnée, la température d'ébullition d'un corps pur est constante : elle ne varie pas tant que le changement d'état n'est pas terminé. L'eau pure bout à 100 °C sous la pression atmosphérique normale (1013 hPa, au niveau de la mer). La température d'ébullition d'un mélange, elle, n'est en général pas constante : elle évolue progressivement, sans palier net.

4.1  Lire une courbe de chauffe

Température en fonction du temps de chauffe temps (min)T (°C) 100 0 6 13 Eau distillée (corps pur) Eau salée (mélange) 20 °C (départ) palier net à 100 °C (l'eau pure bout, sans changer de température)
Figure 4 — L'eau distillée présente un palier net à 100 °C pendant tout le changement d'état : c'est la signature d'un corps pur. L'eau salée continue de monter en température, sans palier.
Méthode — identifier un corps pur grâce à sa courbe de chauffe

Sur une courbe température-temps, cherche un palier horizontal net : la substance est alors un corps pur, et la température du palier est sa température de changement d'état. Si la température continue de varier, sans jamais rester constante, c'est un mélange.

Exemple — lire un palier

Sur la figure 4, le palier de l'eau distillée se situe à 100 °C, entre 6 et 13 minutes de chauffe. On en déduit que le liquide testé est bien de l'eau pure, sous la pression atmosphérique normale.

Exemple — un palier surprenant

Un groupe d'élèves chauffe un liquide inconnu : le thermomètre affiche un palier stable à 78 °C pendant plusieurs minutes. Ce liquide est-il de l'eau pure ? Justifie.

Non : un palier existe bien, ce qui montre que c'est un corps pur, mais sa température de changement d'état n'est pas 100 °C, donc ce n'est pas de l'eau. (Il pourrait s'agir d'un autre liquide pur, comme l'éthanol, dont la température d'ébullition est proche de 78 °C.)

4.2  Le cas de l'eau salée

Attention

Une idée fausse très répandue : « l'eau salée bout à une température plus basse que l'eau pure ». C'est l'inverse ! Dissoudre du sel dans l'eau élève légèrement sa température d'ébullition. Ce qui change surtout, c'est l'absence de palier net : la température de l'eau salée continue de monter doucement pendant toute l'ébullition, au lieu de se stabiliser.

Chimie & Co — Lavoisier et la naissance de la chimie moderne

En 1789, dans son Traité élémentaire de chimie, le savant français Antoine Lavoisier pose les bases de la distinction entre corps purs et mélanges, et dresse la première liste moderne des « substances simples ». Sa méthode : peser avec précision avant et après chaque transformation. C'est cette rigueur, appliquée à des expériences comme la distillation, qui marque la naissance de la chimie comme science quantitative.

5Dessalement et potabilisation

Partout dans le monde, l'accès à une eau que l'on peut boire sans danger est un enjeu vital. Une rivière, un fleuve ou un lac ne fournissent jamais une eau directement buvable : il faut la traiter. Tu vas voir que les grandes usines et les gestes les plus simples reposent sur les mêmes idées que celles que tu viens d'étudier.

Définition

Une eau est dite potable lorsqu'elle peut être bue sans danger pour la santé : elle doit être limpide, sans microbes pathogènes, et sa teneur en substances dissoutes doit rester dans des limites précises.

5.1  La chaîne de traitement de l'eau potable

Dans les grandes villes, des sociétés comme la SDE (Sénégalaise Des Eaux) ou la STE (Société Tchadienne des Eaux) traitent l'eau brute en plusieurs étapes successives, chacune éliminant un type précis d'impureté, du plus gros au plus petit.

La chaîne de traitement de l'eau potable, étape par étape Eau brute Dégrillage Décantation Filtrationsur sable Désinfection Eau potable rivière, lacou mer grossessaletés les bouesau fond microbes etparticules chlore tuemicrobes au robinetSDE / STE
Figure 5 — Chaque étape retient un type d'impureté de plus en plus fin : gros débris, particules en suspension, impuretés fines, puis micro-organismes.
Propriété

Le dégrillage retient les gros déchets flottants avec une grille. La décantation laisse le temps aux particules en suspension de se déposer par gravité. La filtration sur sable retient les impuretés fines en faisant traverser l'eau par une épaisse couche de sable. La désinfection (souvent au chlore) élimine les micro-organismes restants.

5.2  Le dessalement de l'eau de mer

Dans les régions où l'eau douce manque, on rend parfois l'eau de mer potable par dessalement. Deux méthodes existent : la distillation à grande échelle, qui reprend exactement le principe étudié dans ce chapitre avec des installations industrielles, ou l'osmose inverse, une technique différente où l'eau traverse une membrane si fine qu'elle retient le sel. Ces usines exigent beaucoup d'énergie : dessaler reste plus coûteux que traiter une eau douce.

Exemple — pourquoi dessaler coûte cher

Distiller de l'eau de mer suppose de la chauffer jusqu'à ébullition, puis de refroidir toute la vapeur produite : chaque litre d'eau douce obtenu demande une grande quantité d'énergie. C'est pourquoi le dessalement n'est utilisé qu'en dernier recours, dans les régions côtières où aucune autre source d'eau douce n'est disponible.

5.3  Rendre l'eau potable au village

Loin d'une usine de traitement, on dispose de moyens plus simples, mais qui suivent la même logique : éliminer d'abord les particules, puis détruire les microbes.

Méthode — purifier l'eau avec des moyens simples

Filtrer l'eau sur un tissu propre élimine les plus grosses impuretés, mais pas les microbes. Faire bouillir l'eau au moins une minute à gros bouillons détruit les micro-organismes. Un comprimé Aquatabs, dosé au chlore, désinfecte aussi l'eau : on compte en général 1 comprimé pour 20 L d'eau, et il faut attendre 30 minutes avant de la consommer.

Exemple — doser des comprimés Aquatabs

Combien de comprimés Aquatabs (1 comprimé pour 20 L) faut-il pour désinfecter un fût de 100 L ?

  1. nombre de comprimés =10020= \dfrac{100}{20}
  2. ==55 comprimés
Exemple — filtrer ne suffit pas

Un tissu propre retient le sable et les débris visibles, mais un microbe est bien trop petit pour être arrêté par les mailles du tissu. Filtrer une eau trouble avant de la faire bouillir est donc une bonne idée — mais filtrer seul, sans bouillir ni désinfecter, ne rend jamais une eau potable.

Attention

Une eau claire, sans odeur, n'est pas forcément potable : les microbes responsables de maladies (choléra, diarrhées…) sont invisibles à l'œil nu. Il faut toujours désinfecter une eau dont on n'est pas sûr de la provenance, même si elle a l'air parfaitement propre.

Chimie & Co — La première grande usine de filtration

En 1829, la Chelsea Waterworks Company installe à Londres l'une des premières grandes usines de filtration lente sur sable pour traiter l'eau distribuée à toute une partie de la ville. Cette innovation, conçue par l'ingénieur James Simpson, contribuera plus tard à faire reculer des épidémies comme le choléra. Aujourd'hui, les mêmes principes — décantation, filtration, désinfection — équipent les usines de traitement de Dakar, Abidjan ou Douala.

Fiche mémo

  • Distillation = vaporisation puis condensation, pour séparer un mélange homogène grâce à des températures d'ébullition différentes.
  • Montage : ballon (mélange) → chauffe-ballon → thermomètre (au niveau de la sortie de vapeur) → réfrigérant (eau froide à contre-courant) → distillat recueilli.
  • Distillat = liquide recueilli après condensation (le produit purifié). Résidu = ce qui reste dans le ballon (sels non volatils).
  • Eau distillée ≠ eau minérale : résidu sec quasi nul pour l'une, sels dissous mesurables pour l'autre.
  • Résidu sec : masse de solide restant après évaporation totale d'un volume d'eau, souvent exprimée en mg/L.
  • Corps pur : une seule espèce chimique. Sous une pression donnée, sa température d'ébullition est constante (palier net).
  • L'eau pure bout à 100 °C sous la pression atmosphérique normale (1013 hPa). Un mélange (eau salée) n'a pas de palier net.
  • Traitement de l'eau potable : dégrillage → décantation → filtration sur sable → désinfection (chlore).
  • Dessalement de l'eau de mer : distillation à grande échelle, ou osmose inverse (membrane qui retient le sel).
  • Eau potable au village : bouillir au moins 1 min, filtrer sur tissu propre, ou comprimé Aquatabs (1 / 20 L, attendre 30 min).
  • Une eau claire n'est pas forcément potable : les microbes sont invisibles à l'œil nu.

6Exercices corrigés

Niveau 1 — Application directe
1

Recopie et complète chaque phrase avec le mot qui convient (distillat, résidu, réfrigérant, corps pur) : a) Le … est le liquide recueilli après condensation. b) Le … est ce qui reste dans le ballon après la distillation. c) Le … est la pièce en verre refroidie par un courant d'eau. d) Une substance formée d'une seule espèce chimique est un … .

Voir le corrigé détaillé

a) Le distillat est le liquide recueilli après condensation. b) Le résidu est ce qui reste dans le ballon après la distillation. c) Le réfrigérant est la pièce en verre refroidie par un courant d'eau. d) Une substance formée d'une seule espèce chimique est un corps pur.

2

Vrai ou faux ? Corrige les affirmations fausses. a) Le thermomètre se place dans le liquide du ballon. b) L'eau de refroidissement entre du côté du ballon. c) Le sel reste dans le ballon pendant la distillation. d) L'eau distillée a un résidu sec important.

Voir le corrigé détaillé

a) Faux : le thermomètre se place au niveau de la sortie de vapeur, jamais dans le liquide. b) Faux : à contre-courant, l'eau entre du côté du récipient collecteur et ressort du côté du ballon. c) Vrai : le sel n'est pas volatil, il reste dans le résidu. d) Faux : l'eau distillée a un résidu sec quasiment nul.

3

Une coupelle vide pèse 38,120 g. Après évaporation totale de 25 mL d'eau minérale, elle pèse 38,145 g. Calcule la masse du résidu sec, puis la teneur en mg/L de cette eau.

Voir le corrigé détaillé
  1. mreˊsidu=38,145−38,120m_{\text{résidu}} = 38{,}145 - 38{,}120
  2. ==0,0250{,}025 g =25= 25 mg
  3. 2525 mL =0,025= 0{,}025 L
  4. teneur =250,025= \dfrac{25}{0{,}025}
  5. ==1 0001\,000 mg/L
4

Un liquide est chauffé : sa température monte régulièrement de 15 °C à 82 °C, puis reste constante à 82 °C pendant 5 minutes. Ce liquide est-il un corps pur ou un mélange ? Quelle est sa température de changement d'état ?

Voir le corrigé détaillé

La courbe présente un palier net à 82 °C : c'est la signature d'un corps pur. Sa température de changement d'état (ici, d'ébullition) est 82 °C.

5

Vrai ou faux, en une phrase de justification ? a) Filtrer une eau trouble sur un tissu suffit à la rendre potable. b) Faire bouillir l'eau à gros bouillons tue les microbes. c) Le dégrillage retient les microbes. d) La décantation utilise la gravité.

Voir le corrigé détaillé

a) Faux : un tissu retient les débris visibles, pas les microbes, bien trop petits. b) Vrai : une ébullition franche détruit les micro-organismes. c) Faux : une grille ne retient que les gros déchets flottants. d) Vrai : les particules en suspension se déposent au fond sous leur propre poids.

Niveau 2 — Approfondissement
6

Sur 200 mL d'une eau de forage, on obtient 0,096 g de résidu sec après évaporation complète. a) Calcule la teneur en résidu sec, en mg/L. b) Cette eau contient-elle plus ou moins de sels dissous qu'une eau distillée, dont la teneur est proche de 20 mg/L ?

Voir le corrigé détaillé
  1. 0,0960{,}096 g =96= 96 mg \quad et 200\quad 200 mL =0,200= 0{,}200 L
  2. teneur =960,200= \dfrac{96}{0{,}200}
  3. ==480480 mg/L

480480 mg/L est bien supérieur à 2020 mg/L : cette eau de forage contient beaucoup plus de sels dissous qu'une eau distillée.

7

Léa chauffe deux liquides. Liquide A : la température monte de 10 °C à 78 °C, puis reste stable à 78 °C pendant 6 minutes. Liquide B : la température monte de 10 °C à 100 °C, puis continue de monter lentement jusqu'à 104 °C, sans jamais se stabiliser. a) Lequel des deux liquides est un corps pur ? b) Lequel est un mélange ? Justifie avec l'idée de palier.

Voir le corrigé détaillé

a) Le liquide A présente un palier net (température constante à 78 °C) : c'est un corps pur. b) Le liquide B ne présente aucun palier, sa température continue d'évoluer pendant tout le changement d'état : c'est un mélange.

8

On désinfecte 60 L d'eau avec des comprimés Aquatabs, dosés pour 20 L chacun. Combien de comprimés faut-il utiliser, et combien de temps minimum doit-on attendre avant de boire l'eau ?

Voir le corrigé détaillé
  1. nombre de comprimés =6020= \dfrac{60}{20}
  2. ==33 comprimés

Il faut attendre au moins 30 minutes après avoir dissous les comprimés avant de consommer l'eau.

9

Explique pourquoi le distillat obtenu à partir d'eau salée ne contient presque plus de sel, en utilisant les mots vaporisation, volatil et condensation.

Voir le corrigé détaillé

Lors du chauffage, seule l'eau, qui est volatile, subit une vaporisation : elle passe à l'état gazeux et quitte le ballon. Le sel, lui, n'est pas volatil : il reste dissous dans le liquide restant. La vapeur, qui ne contient donc pas de sel, traverse ensuite le réfrigérant, où elle subit une condensation : elle redevient liquide. Le distillat obtenu est ainsi une eau presque dépourvue de sel.

Niveau 3 — Défi
10

On distille 500 mL d'eau salée dont la teneur en sel est de 30 g/L. On récupère 480 mL de distillat.

  1. Quelle masse de sel contenait l'eau salée de départ ?
  2. Où se trouve ce sel une fois la distillation terminée ? Justifie.
  3. Le distillat obtenu est-il un corps pur ou un mélange ? Justifie en imaginant sa courbe de chauffe.
Voir le corrigé détaillé

1.

  1. msel=30×0,500m_{\text{sel}} = 30 \times 0{,}500
  2. ==1515 g

2. Le sel n'est pas volatil : il ne se vaporise pas et reste donc entièrement dans le résidu, au fond du ballon, désormais plus concentré puisque une partie de l'eau est partie.

3. Le distillat est essentiellement de l'eau, sans sel : c'est un corps pur. Sa courbe de chauffe présenterait un palier net à 100 °C, sans montée continue au-delà.

11

On chauffe deux liquides inconnus. Liquide A : palier net à 100 °C. Liquide B : la température monte de façon continue de 95 °C à 103 °C, sans jamais se stabiliser.

  1. Quelle est la nature (corps pur ou mélange) de chacun de ces liquides ?
  2. Justifie ta réponse en rappelant ce que signifie un palier de température.
  3. Propose un test complémentaire pour confirmer la nature du liquide B.
Voir le corrigé détaillé

1. Le liquide A est un corps pur ; le liquide B est un mélange.

2. Un palier de température correspond à une température qui reste constante pendant tout le changement d'état : c'est la signature d'un corps pur, qui a une seule température d'ébullition bien définie sous une pression donnée. Le liquide B, dont la température varie sans arrêt, ne peut pas être un corps pur.

3. On peut réaliser un test de résidu sec : faire évaporer un volume connu du liquide B et peser ce qui reste. Si un résidu solide apparaît, cela confirme la présence d'une substance dissoute, donc bien un mélange.

12

Un élève affirme : « L'eau distillée est totalement stérile et peut se conserver indéfiniment sans aucun risque. »

  1. Que penses-tu de cette affirmation concernant les microbes ?
  2. Propose une expérience simple pour vérifier si une eau contient des sels dissous.
  3. L'eau distillée est-elle recommandée comme boisson quotidienne exclusive ? Justifie.
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1. Cette affirmation est trompeuse. Le test de résidu sec, qui montre que l'eau distillée est presque sans sel, ne dit rien sur les microbes : une eau distillée peut très bien être contaminée après sa fabrication, si elle est conservée dans un récipient sale ou laissée ouverte trop longtemps.

2. On réalise un test de résidu sec : peser une coupelle vide, y verser un volume connu de l'eau à tester, faire évaporer complètement, puis peser à nouveau. Un résidu solide révèle la présence de sels dissous.

3. Non : l'eau distillée, dépourvue de sels minéraux, a un goût plat et n'apporte pas les sels utiles à l'organisme que fournit une eau minérale. Elle n'est pas recommandée comme boisson exclusive au quotidien.

Niveau 4 — Problèmes de vie courante
13

Le bidon de Fatou (Dakar). Fatou doit désinfecter un bidon de 150 L d'eau avec des comprimés Aquatabs, dosés pour 20 L chacun. Le comprimé coûte 50 F CFA.

  1. Calcule le nombre de comprimés nécessaires. Que fais-tu si le résultat n'est pas un nombre entier ?
  2. Calcule le coût total, en F CFA.
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1.

  1. nombre théorique =15020= \dfrac{150}{20}
  2. ==7,57{,}5 comprimés
  3. ⇒\Rightarrow88 compriméson ne peut pas utiliser un demi-comprimé ; on arrondit au nombre entier supérieur, il vaut mieux un peu trop de désinfectant que pas assez

2.

  1. coût =8×50= 8 \times 50
  2. ==400400 F CFA

Fatou doit utiliser 8 comprimés, pour un coût de 400 F CFA.

14

Le distillateur solaire de Moussa (Ndjamena). Moussa fabrique un petit distillateur solaire artisanal pour transformer de l'eau saumâtre en eau douce. Il verse 8 L d'eau saumâtre dans l'appareil ; après une journée d'ensoleillement, il récupère 3,2 L de distillat.

  1. Calcule le rendement de cette distillation, en pourcentage du volume de départ.
  2. Le distillat obtenu est-il salé ? Justifie.
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1.

  1. rendement =3,28×100= \dfrac{3{,}2}{8} \times 100
  2. ==4040 %

2. Non : le sel n'est pas volatil, il ne se vaporise pas avec l'eau. Le distillat recueilli est donc de l'eau sans sel, même si le rendement est modeste — les 4,8 L restants (eau non vaporisée et sel) restent dans l'appareil.

15

Le choix d'Aïcha (Abidjan). Aïcha hésite entre l'eau du robinet, de résidu sec 150 mg/L, et une eau minérale en bouteille de 1,5 L vendue 500 F CFA, de résidu sec 25 mg/L.

  1. Calcule la masse de résidu sec contenue dans 1,5 L de chacune de ces deux eaux.
  2. Calcule le prix au litre de l'eau minérale en bouteille.
  3. L'eau du robinet est-elle dangereuse pour autant ? Justifie en une phrase.
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1.

  1. robinet : m=150×1,5m = 150 \times 1{,}5
  2. ==225225 mg
  3. minérale : m=25×1,5m = 25 \times 1{,}5
  4. ==37,537{,}5 mg

2.

  1. prix au litre =5001,5= \dfrac{500}{1{,}5}
  2. ≈\approx333333 F CFA/L

3. Non : un résidu sec plus élevé ne signifie pas une eau dangereuse — il indique seulement plus de sels minéraux dissous ; ce qui rend une eau dangereuse, ce sont les microbes, et l'eau du robinet traitée par la SDE ou la STE est désinfectée.

16

La désinfection à Abéché. La STE désinfecte 2 400 m³ d'eau par jour à la station d'Abéché, avec une dose de chlore de 2 mg par litre d'eau traitée.

  1. Convertis 2 400 m³ en litres.
  2. Calcule la masse totale de chlore utilisée chaque jour, en grammes puis en kilogrammes.
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1.

  1. 2 400 m3=2 400×1 0002\,400\ \text{m}^{3} = 2\,400 \times 1\,000 L
  2. ==2 400 0002\,400\,000 L

2.

  1. mchlore=2×2 400 000m_{\text{chlore}} = 2 \times 2\,400\,000
  2. ==4 800 0004\,800\,000 mg
  3. ==4 8004\,800 g
  4. ==4,84{,}8 kg

La station utilise 4,8 kg de chlore chaque jour pour désinfecter l'eau distribuée à Abéché.

📝 QCM de fin de leçon — 20 questions

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La distillation permet de séparer les constituants d'un mélange grâce à :

Explication : La distillation sépare les constituants d'un mélange homogène grâce à leurs différentes températures d'ébullition : le plus volatil se vaporise en premier.

La distillation repose sur deux changements d'état successifs, dans cet ordre :

Explication : On chauffe le liquide pour le faire se vaporiser, puis on refroidit la vapeur pour la faire se condenser en distillat.

Le réfrigérant est la pièce du montage qui :

Explication : Le réfrigérant est formé de deux tubes emboîtés : la vapeur circule à l'intérieur, un courant d'eau froide circule autour et la refroidit jusqu'à la condenser.

Le distillat est :

Explication : Le distillat est le liquide purifié, recueilli après condensation à la sortie du réfrigérant. Ce qui reste dans le ballon s'appelle le résidu.

Dans le ballon, à la fin d'une distillation d'eau salée, le sel se trouve :

Explication : Le sel n'est pas volatil : il ne se vaporise pas et reste donc entièrement dans le liquide restant du ballon, c'est-à-dire le résidu.

Un corps pur est une substance :

Explication : Un corps pur est formé d'une seule espèce chimique, comme l'eau seule (H2O\text{H}_2\text{O}). Un mélange en contient au moins deux.

Sous la pression atmosphérique normale, l'eau pure bout à :

Explication : L'eau pure bout à 100 °C sous la pression atmosphérique normale (1013 hPa au niveau de la mer).

Sur une courbe température-temps de chauffe, un palier net (température constante) indique que le liquide est :

Explication : Un palier horizontal net signale un corps pur : sa température de changement d'état reste constante tant que le changement d'état n'est pas terminé.

Un piège classique de montage : où doit-on placer le réservoir du thermomètre ?

Explication : Le thermomètre doit mesurer la température de la vapeur, pas celle du liquide. Placé dans le liquide, il donnerait une mesure fausse.

Dans le réfrigérant, l'eau de refroidissement circule à contre-courant de la vapeur, c'est-à-dire qu'elle entre :

Explication : L'eau froide entre du côté le plus proche du collecteur et ressort du côté du ballon : ainsi, la vapeur la plus chaude rencontre toujours de l'eau relativement froide, ce qui rend le refroidissement plus efficace.

Une coupelle vide pèse 40,000 g. Après évaporation totale de 100 mL d'eau minérale, elle pèse 40,050 g. Quelle est la masse du résidu sec ?

Explication : On calcule la différence de masse :
m=40,050−40,000m = 40{,}050 - 40{,}000
=0,050= 0{,}050 g =50= 50 mg.

On veut désinfecter 80 L d'eau avec des comprimés Aquatabs, dosés pour 20 L chacun. Combien de comprimés faut-il ?

Explication : nombre de comprimés =8020= \dfrac{80}{20}
=4= 4 comprimés.

Un bassin de 100 m² contient une couche d'eau salée de 4 cm de hauteur. Quel volume d'eau doit s'évaporer pour que le bassin soit à sec ?

Explication : 4 cm = 0,04 m.
V=100×0,04V = 100 \times 0{,}04
=4 m3= 4\ \text{m}^3
=4 000= 4\,000 L (car 1 m3=1 0001\ \text{m}^3 = 1\,000 L).

De l'eau circule dans un réfrigérant à 2 L/min pendant une distillation de 15 minutes. Quel volume d'eau a circulé au total ?

Explication : V=deˊbit×dureˊeV = \text{débit} \times \text{durée}
=2×15= 2 \times 15
=30= 30 L.

Quelle est la première étape de la chaîne de traitement de l'eau potable, juste après l'eau brute ?

Explication : L'ordre du traitement va du plus gros au plus petit : dégrillage → décantation → filtration sur sable → désinfection.

Une idée reçue est fausse : « l'eau salée bout à une température plus basse que l'eau pure ». En réalité :

Explication : C'est l'inverse de l'idée reçue : dissoudre du sel élève légèrement la température d'ébullition, et surtout, l'eau salée ne présente pas de palier net.

Un groupe d'élèves chauffe un liquide inconnu et observe un palier net et stable à 78 °C. Que peut-on en conclure ?

Explication : Un palier existe, ce qui montre que c'est un corps pur, mais sa température de changement d'état n'est pas 100 °C, donc ce n'est pas de l'eau (par exemple l'éthanol, proche de 78 °C).

Moussa fabrique un distillateur solaire artisanal. Il verse 10 L d'eau saumâtre et récupère 4 L de distillat après une journée. Quel est le rendement, en pourcentage du volume de départ ?

Explication : rendement =410×100= \dfrac{4}{10} \times 100
=40= 40 %.

Le distillat obtenu par Moussa (question précédente) est-il salé ?

Explication : Le sel, non volatil, reste entièrement dans le liquide restant de l'appareil. Le distillat est donc de l'eau sans sel, même si le rendement de vaporisation n'est que de 40 %.

Une eau du robinet a une teneur en résidu sec plus élevée qu'une eau minérale en bouteille. Que peut-on en conclure ?

Explication : Un résidu sec plus élevé signale seulement plus de sels minéraux dissous, ce qui n'est pas dangereux ; ce qui rend une eau dangereuse, ce sont les microbes, éliminés par la désinfection au chlore lors du traitement.
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