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Mélanges homogènes et hétérogènes

Approfondir l'étude des mélanges et de leurs séparations.

Chimie 5ème Chapitre 1 / 7 ⏱ 5 h

Ce que tu sauras faire à la fin

  • Séparer les constituants d'un mélange donné
  • Interpréter une chromatographie simple
  • Justifier le choix d'une technique

Ouvre le robinet, verse-toi un verre de bissap, regarde l'eau du fleuve couler à Ndjamena ou à Bamako : ce que tu observes est presque toujours un mélange. L'air que tu respires, le lait que tu bois, l'eau boueuse après une pluie, le jus de fruit dans ton verre : tout cela contient plusieurs substances mêlées les unes aux autres. Les corps purs, eux, sont rares dans la vie de tous les jours.

Dans ce chapitre, tu vas apprendre à regarder un mélange avec des yeux de chimiste : est-il homogène (on ne distingue rien à l'œil nu) ou hétérogène (on voit plusieurs parties) ? Et surtout, tu vas découvrir les techniques qui permettent de séparer les constituants d'un mélange : la décantation, la filtration, la centrifugation, et une méthode plus fine encore, la chromatographie.

Ces techniques ne sont pas de simples exercices de laboratoire. Elles rendent potable l'eau que boivent des millions de personnes le long des fleuves Chari, Sénégal ou Niger ; elles séparent l'huile de palme de l'eau de cuisson à Abidjan ; elles permettent même à un enquêteur de comparer deux encres de stylo. Comprendre les mélanges, c'est comprendre une bonne partie du monde qui t'entoure.

1Rappels : corps pur et mélange

Avant de trier les mélanges, il faut se remettre d'accord sur deux mots que tu as déjà rencontrés : corps pur et mélange.

1.1  Qu'est-ce qu'un corps pur ?

Définition

Un corps pur est une substance qui ne contient qu'une seule espèce chimique. Tous les échantillons de ce corps pur, où qu'ils se trouvent dans le monde, ont exactement les mêmes propriétés (même aspect, même température de fusion, même température d'ébullition).

Voici quelques corps purs : l'eau distillée (utilisée dans les batteries et les laboratoires), le dioxygène pur (bouteilles d'hôpital), l'or pur à 24 carats, le sucre en poudre (saccharose pur), l'alcool pur à 100° (éthanol pur).

1.2  Qu'est-ce qu'un mélange ?

Définition

Un mélange réunit plusieurs espèces chimiques dans un même échantillon. Chaque espèce présente dans le mélange s'appelle un constituant du mélange.

L'eau du robinet est un mélange : elle contient de l'eau, des sels minéraux dissous et, souvent, un peu de chlore. Le bissap est un mélange : eau, pigments rouges de fleurs d'hibiscus, sucre. L'air est un mélange de gaz : diazote, dioxygène, dioxyde de carbone, vapeur d'eau…

Exemple — trier des substances

Classe chacune de ces substances en corps pur ou mélange : eau distillée ; jus d'orange ; or 24 carats ; alcool à 90° ; air ; azote pur (utilisé dans l'industrie).

Corps purs : eau distillée, or 24 carats, azote pur — une seule espèce chimique dans chaque cas.
Mélanges : jus d'orange (eau, sucres, pulpe, arômes…), alcool à 90° (éthanol et eau), air (plusieurs gaz).

Exemple — le cas de l'eau

L'eau distillée de laboratoire est un corps pur : elle ne contient que des molécules d'eau. L'eau minérale vendue en bouteille, elle, est un mélange : en plus de l'eau, elle contient des sels dissous (calcium, magnésium, bicarbonates…), ce qui lui donne son goût particulier. Deux liquides qui semblent identiques à l'œil nu peuvent donc être, l'un un corps pur, l'autre un mélange.

2Mélanges de liquides, de solides, de gaz

Un mélange peut réunir des liquides, des solides ou des gaz, dans toutes les combinaisons possibles. Mais surtout, un mélange peut se présenter de deux façons très différentes à l'œil nu.

2.1  Mélanges homogènes et mélanges hétérogènes

Définition

Un mélange est homogène quand il présente un aspect uniforme : à l'œil nu, on ne distingue aucune partie séparée des autres.

Un mélange est hétérogène quand on distingue, à l'œil nu, au moins deux parties différentes (deux couches, des particules en suspension, des morceaux…).

MélangeAspect à l'œil nuType
Bissap filtrélimpide, coloré en rougehomogène
Eau boueuse du fleuvetrouble, un dépôt se formehétérogène
Jus de fruit avec pulpemorceaux visibles en suspensionhétérogène
Eau salée (sel dissous)limpide, incolorehomogène
Laitblanc, opaque, uniforme à l'œil nuhétérogène (fines gouttelettes de matière grasse)
Homogène ou hétérogène ? Quatre mélanges du quotidien Eau sucréehomogène Eau + huilehétérogène Eau boueusehétérogène Airhomogène Homogène : aspect uniforme — Hétérogène : au moins deux parties visibles
Figure 1 — L'eau sucrée et l'air ont un aspect uniforme (homogènes) ; l'eau additionnée d'huile (deux couches) et l'eau boueuse (particules en suspension) laissent voir plusieurs parties (hétérogènes).
Attention

Un mélange homogène n'est pas forcément pur ! L'eau minérale est parfaitement limpide, donc homogène — mais elle contient des sels dissous : ce n'est pas de l'eau pure. Seule une substance qui ne contient qu'une espèce chimique, comme l'eau distillée, est un corps pur. Eau limpide ne veut pas dire eau pure.

2.2  La miscibilité des liquides

Définition

Deux liquides sont miscibles quand, une fois mélangés et agités, ils forment un seul liquide homogène : on ne distingue plus qu'une seule phase.

Deux liquides sont non miscibles (ou immiscibles) quand ils restent séparés en deux couches distinctes, même après agitation.

L'eau et l'alcool sont miscibles : mélangés, ils donnent un liquide homogène (c'est le principe des boissons alcoolisées ou de l'alcool à 70° utilisé en pharmacie). L'eau et l'huile, elles, sont non miscibles : elles forment toujours deux couches, quelle que soit la façon dont on agite le mélange.

Propriété

Quand deux liquides non miscibles sont mis en contact, le liquide le plus dense (le plus lourd pour un même volume) se place toujours en dessous, et le moins dense se place au-dessus.

Exemple — pourquoi l'huile flotte sur l'eau
  1. masse volumique de l'huile ≈0,92 g⋅mL−1\approx 0{,}92\ \text{g·mL}^{-1}
  2. masse volumique de l'eau ≈1,00 g⋅mL−1\approx 1{,}00\ \text{g·mL}^{-1}
  3. doncl'huile est moins dense que l'eau
  4. ⇒l'huile forme toujours la couche du dessus

2.3  Mélanges de solides et mélanges de gaz

Un mélange de solides peut aussi être hétérogène : du sable et du sel versés ensemble restent deux sortes de grains bien visibles, distinguables au microscope ou même à l'œil nu. Un mélange de gaz, en revanche, est presque toujours homogène : les molécules de gaz se mélangent parfaitement entre elles, comme dans l'air (diazote, dioxygène et autres gaz parfaitement mêlés, invisibles séparément).

Propriété — conservation de la masse

La masse totale d'un mélange est toujours égale à la somme des masses de ses constituants : mélanger ne fait ni apparaître, ni disparaître de la matière.

  1. 200 g200\ \text{g} de sable ++ 50 g50\ \text{g} de sel
  2. ⇒masse totale du mélange =250 g= 250\ \text{g}

3Décantation, filtration, centrifugation

Une fois qu'on a repéré un mélange hétérogène, comment fait-on pour séparer ses constituants ? Il existe trois techniques principales, chacune adaptée à une situation particulière.

3.1  La décantation

Définition

La décantation consiste à laisser un mélange hétérogène au repos, sans le toucher, pour que ses constituants se séparent naturellement selon leur densité. Les particules solides plus denses que le liquide tombent au fond ; entre deux liquides non miscibles, le plus dense se place en dessous.

Pour une eau boueuse, la décantation forme, après quelques heures, un dépôt (ou sédiment) au fond du récipient, surmonté d'une eau plus claire appelée surnageant. On peut ensuite verser doucement le surnageant dans un autre récipient : c'est la décantation par transvasement.

Décantation d'une eau boueuse : avant et après repos eau limpidedépôt (sédiment) repos AVANTtrouble (hétérogène) APRÈSlimpide + dépôt
Figure 2 — Avant repos, l'eau boueuse est trouble dans toute sa masse. Après quelques heures de repos, les particules solides se sont déposées au fond : on distingue nettement un surnageant limpide et un sédiment.

Quand ce sont deux liquides non miscibles qu'il faut séparer, on utilise un instrument spécial : l'ampoule à décanter. Elle est munie d'un robinet qui permet de laisser couler la couche du bas, puis de le refermer juste avant que l'interface entre les deux liquides n'atteigne le robinet.

Méthode — utiliser une ampoule à décanter

1. Verser le mélange dans l'ampoule, robinet fermé, puis boucher.
2. Agiter, puis laisser reposer verticalement jusqu'à ce que les deux couches soient bien nettes.
3. Retirer le bouchon (pour égaliser la pression avec l'air extérieur).
4. Ouvrir doucement le robinet : le liquide le plus dense (couche du bas) s'écoule dans un bécher.
5. Refermer le robinet dès que l'interface arrive au niveau du robinet.
6. Récupérer le liquide restant (le moins dense) par le haut, dans un autre bécher.

L'ampoule à décanter : séparer deux liquides non miscibles Bouchon Support (anneau) Huile — moins dense Eau — plus dense Robinet Bécher de collecte
Figure 3 — Dans l'ampoule à décanter, l'huile (moins dense) surnage au-dessus de l'eau (plus dense). Le robinet permet de faire couler la couche du bas sans mélanger à nouveau les deux liquides.

3.2  La filtration

Définition

La filtration utilise un filtre (papier filtre, tissu, sable…) dont les pores laissent passer le liquide mais retiennent les particules solides trop grosses. On appelle résidu ce qui reste retenu sur le filtre, et filtrat le liquide qui a traversé le filtre.

Montage de filtration au laboratoire Support (potence) Anneau de fixation Entonnoir Papier filtre (filtre) Résidu (solide retenu) Filtrat (liquide recueilli) Bécher
Figure 4 — Le mélange versé dans l'entonnoir traverse le papier filtre : le résidu solide reste sur le filtre, le filtrat liquide s'écoule goutte à goutte dans le bécher.
Exemple — filtrer le café et le thé

Quand tu prépares du café filtre, le café moulu (solide) reste dans le filtre en papier : c'est le résidu (le marc de café). Le liquide brun qui coule dans la verseuse est le filtrat : c'est le café que tu bois. Une passoire à thé fonctionne sur le même principe : elle retient les feuilles de thé (résidu) et laisse passer l'infusion (filtrat).

Attention

La filtration ne sépare que le solide du liquide. Elle ne permet pas de séparer deux liquides, qu'ils soient miscibles ou non miscibles : l'eau et l'huile, par exemple, traverseraient toutes les deux le papier filtre. Pour deux liquides non miscibles, il faut une ampoule à décanter.

Chimie & Co — Le manche d'Hippocrate

Dès le Ve siècle avant notre ère, le médecin grec Hippocrate recommandait de faire passer l'eau de boisson à travers un sac de tissu, surnommé plus tard le « manche d'Hippocrate », pour retenir les impuretés visibles. C'est l'une des plus anciennes techniques de filtration connues : de nombreux peuples anciens, en Égypte comme en Mésopotamie, filtraient déjà l'eau à travers des couches de sable et de gravier avant de la boire. Le principe n'a, au fond, pas changé depuis vingt-cinq siècles.

3.3  La centrifugation

Définition

La centrifugation utilise une centrifugeuse qui fait tourner le mélange à très grande vitesse. Cette rotation accélère la séparation des constituants selon leur densité : elle est bien plus rapide et plus efficace que la décantation lorsque les particules sont très fines ou mettraient trop de temps à se déposer seules.

On utilise la centrifugation dans les laboratoires médicaux pour séparer le plasma sanguin des cellules du sang, ou dans l'industrie laitière pour séparer la crème (moins dense) du lait écrémé (plus dense).

Chimie & Co — L'écrémeuse qui a transformé les fermes

En 1878, l'ingénieur suédois Gustaf de Laval invente la première écrémeuse centrifuge en continu, capable de séparer la crème du lait en quelques minutes au lieu de plusieurs heures de décantation. Cette invention bouleverse l'industrie laitière dans le monde entier : elle est toujours, dans son principe, à la base des centrifugeuses utilisées aujourd'hui dans les laiteries et les laboratoires.

Méthode — choisir la bonne technique de séparation

Solide grossier visible, temps disponible → décantation.
Solide fin en suspension, séparation nette voulue rapidement → filtration.
Particules très fines, qui se déposeraient trop lentement seules → centrifugation.
Deux liquides non miscibles → décantation avec une ampoule à décanter.

4Chromatographie (approche)

La décantation, la filtration et la centrifugation séparent des mélanges dont on voit déjà plusieurs parties : elles s'appliquent aux mélanges hétérogènes. Mais comment savoir si un liquide parfaitement limpide, un mélange homogène, contient plusieurs constituants ? C'est là qu'intervient la chromatographie.

4.1  Principe de la chromatographie

Définition

La chromatographie sur papier est une technique qui sépare les constituants colorés d'un mélange homogène. On dépose une petite tache du mélange près du bas d'une bande de papier (la ligne de dépôt), puis on trempe le bas du papier dans un solvant (l'éluant), sans immerger le dépôt. L'éluant migre le long du papier par capillarité et entraîne les constituants colorés, chacun à sa propre vitesse.

Les constituants qui « adhèrent » peu au papier migrent vite et loin ; ceux qui adhèrent davantage migrent lentement. Résultat : après quelques minutes, les constituants d'un même dépôt se retrouvent séparés à des hauteurs différentes sur le papier. Le dessin obtenu s'appelle le chromatogramme.

Chromatographie sur papier : séparer les constituants d'un colorant Front du solvant Constituant le plus mobile Constituant intermédiaire Constituant le moins mobile Ligne de dépôt (départ) Éluant (solvant)
Figure 5 — Le dépôt initial, unique, s'est séparé en trois taches de couleurs et de hauteurs différentes : le mélange contenait bien trois constituants, migrant chacun à sa propre vitesse dans l'éluant.

4.2  Interpréter un chromatogramme

Méthode — lire un chromatogramme

1. Compter le nombre de taches obtenues à partir d'un seul dépôt : chaque tache correspond à un constituant du mélange initial.
2. Si l'on obtient une seule tache à la même hauteur que le dépôt de départ, la substance est probablement un corps pur (ou du moins non séparée par cet éluant).
3. Pour comparer deux échantillons, on dépose leurs taches sur la même bande de papier : deux taches qui migrent à la même hauteur, avec la même couleur, correspondent probablement au même constituant.

Exemple — l'encre noire n'est pas toujours pure

On dépose une tache d'encre d'un feutre noir sur une bande de papier, puis on la trempe dans de l'eau. Après quelques minutes, on n'observe pas une seule tache noire, mais plusieurs taches colorées (bleue, rouge, jaune…) à des hauteurs différentes. Conclusion : cette encre « noire » est en réalité un mélange de plusieurs colorants.

Exemple — les pigments d'une feuille verte

En écrasant une feuille verte dans un peu d'alcool, puis en déposant l'extrait sur une bande de papier trempée dans un éluant, on obtient plusieurs taches : vert, jaune, parfois orangé. La couleur verte d'une feuille n'est donc pas due à un seul pigment, mais à un mélange de plusieurs pigments (dont la chlorophylle).

Chimie & Co — La naissance de la chromatographie

En 1901, le botaniste russe Mikhaïl Tswett cherche à comprendre la composition des pigments verts des plantes. Il fait couler un extrait de feuilles à travers un tube rempli de craie en poudre : les différents pigments se séparent en anneaux colorés distincts le long du tube. Tswett invente le mot « chromatographie », du grec khrôma (couleur) et graphein (écrire) : littéralement, « écrire avec des couleurs ». Sa méthode, très perfectionnée depuis, reste utilisée aujourd'hui dans les laboratoires du monde entier, y compris pour des analyses médicales ou judiciaires.

5Applications industrielles

Ces techniques de séparation ne restent pas enfermées dans les laboratoires : elles sont au cœur de nombreuses activités quotidiennes et industrielles, sur tout le continent africain.

5.1  Traiter l'eau du fleuve

Exemple — de l'eau du fleuve à l'eau du robinet

Dans une usine de traitement d'eau (comme celles qui alimentent Ndjamena depuis le Chari, ou Dakar depuis le lac de Guiers), l'eau brute du fleuve subit plusieurs étapes successives : 1. une décantation dans de grands bassins, pour laisser se déposer le sable et les particules les plus lourdes ; 2. une filtration sur d'épaisses couches de sable et de gravier, qui retiennent les particules fines restantes ; 3. une désinfection (souvent par le chlore), qui élimine les micro-organismes. L'eau obtenue est limpide — mais elle reste un mélange homogène : elle contient encore des sels minéraux dissous, ce qui est d'ailleurs nécessaire pour qu'elle ait bon goût et soit bonne pour la santé.

5.2  Préparer le thé, le café, le bissap

Préparer une infusion, c'est déjà de la chimie des mélanges ! On plonge des feuilles de thé, du café moulu ou des fleurs d'hibiscus séchées dans de l'eau chaude : les substances solubles (arômes, pigments) passent dans l'eau, formant un mélange homogène coloré. Il reste ensuite à filtrer pour retirer les feuilles, le marc ou les pétales : c'est exactement le principe étudié en 3.2.

5.3  Industries alimentaire et chimique

Dans une huilerie (par exemple pour l'huile de palme produite en Côte d'Ivoire ou au Cameroun), l'huile extraite des fruits est d'abord mélangée à de l'eau de cuisson : une décantation, parfois accélérée par une centrifugation, sépare ensuite l'huile (moins dense) de l'eau (plus dense). Dans les sucreries, le jus de canne fraîchement extrait est trouble : il est clarifié par décantation et filtration avant la cuisson. Dans l'industrie pharmaceutique, la chromatographie permet de vérifier la pureté d'un médicament, en s'assurant qu'un seul constituant migre sur le papier (ou, à plus grande échelle, dans des colonnes spécialisées).

Fiche mémo

  • Corps pur : une seule espèce chimique. Mélange : plusieurs espèces chimiques (les constituants).
  • Homogène : aspect uniforme, aucune partie distincte visible. Hétérogène : au moins deux parties distinctes visibles.
  • Attention : un mélange homogène n'est pas forcément pur (eau limpide ≠ eau pure).
  • Miscibles : deux liquides qui, mélangés, donnent un seul liquide homogène. Non miscibles : ils forment deux couches.
  • Entre deux liquides non miscibles, le plus dense se place toujours en dessous.
  • La masse totale d'un mélange = somme des masses de ses constituants.
  • Décantation : repos, séparation par différence de densité (dépôt/surnageant, ou ampoule à décanter pour deux liquides).
  • Filtration : passage à travers un filtre ; résidu = solide retenu, filtrat = liquide recueilli.
  • Centrifugation : rotation rapide, accélère une séparation par densité (particules fines, urgence).
  • La filtration et la décantation ne séparent pas deux liquides non miscibles ; il faut alors une ampoule à décanter.
  • Chromatographie : sépare les constituants colorés d'un mélange homogène par migration différente sur papier (ligne de dépôt, éluant, chromatogramme).
  • Sur un chromatogramme, une tache = un constituant ; même hauteur et même couleur = probablement même constituant.
  • Applications : traitement de l'eau (décantation + filtration), infusions (thé, café, bissap : filtration), huileries et sucreries (décantation, centrifugation), contrôle qualité (chromatographie).

6Exercices corrigés

Niveau 1 — Application directe
1

Classe chaque mélange en homogène ou hétérogène : jus de bissap filtré ; eau boueuse du fleuve ; lait ; eau salée (sel dissous) ; mélange eau + huile ; air.

Voir le corrigé détaillé

Homogènes (aspect uniforme) : jus de bissap filtré, eau salée, air.
Hétérogènes (plusieurs parties visibles) : eau boueuse du fleuve (dépôt), lait (émulsion opaque), mélange eau + huile (deux couches).

2

Classe chaque substance en corps pur ou mélange : eau minérale ; sucre en poudre ; lait ; diamant (carbone pur) ; essence (carburant) ; dioxygène médical.

Voir le corrigé détaillé

Corps purs : sucre en poudre (saccharose pur), diamant (carbone pur), dioxygène médical (une seule espèce chimique).
Mélanges : eau minérale (eau + sels dissous), lait (eau, matières grasses, protéines…), essence (mélange de plusieurs hydrocarbures).

3

Associe chaque mot à sa définition : filtre, filtrat, résidu, entonnoir.
a) Liquide qui a traversé le filtre.
b) Objet qui retient les particules solides trop grosses.
c) Solide qui reste retenu à la surface du filtre.
d) Objet qui guide le mélange vers le filtre.

Voir le corrigé détaillé

a) filtrat — b) filtre — c) résidu — d) entonnoir.

4

Vrai ou faux ?
a) La décantation sépare deux liquides miscibles.
b) Dans une ampoule à décanter, le liquide le plus dense s'écoule en premier par le robinet.
c) La centrifugation est plus lente que la décantation simple.
d) Le sédiment se trouve au fond du récipient après décantation.
e) La filtration permet de séparer deux liquides non miscibles.

Voir le corrigé détaillé

a) Faux — la décantation ne sépare que des liquides non miscibles, ou un solide d'un liquide.
b) Vrai — c'est le liquide le plus dense, en bas, qui s'écoule en premier.
c) Faux — la centrifugation est justement plus rapide.
d) Vrai.
e) Faux — la filtration retient un solide, pas un second liquide ; il faut une ampoule à décanter.

5

Complète : « La chromatographie sépare les ⋯⋯⋯ colorés d'un mélange ⋯⋯⋯. On dépose le mélange sur la ⋯⋯⋯ de dépôt, puis on trempe le papier dans un ⋯⋯⋯ appelé éluant. Le résultat obtenu s'appelle un ⋯⋯⋯. »

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« La chromatographie sépare les constituants colorés d'un mélange homogène. On dépose le mélange sur la ligne de dépôt, puis on trempe le papier dans un solvant appelé éluant. Le résultat obtenu s'appelle un chromatogramme. »

Niveau 2 — Approfondissement
6

On dispose d'un mélange contenant du sable (solide, insoluble), de l'eau et de l'huile (non miscible à l'eau). Décris un protocole en deux étapes pour obtenir séparément le sable, l'eau et l'huile.

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Étape 1 — Filtration. On verse le mélange dans un entonnoir garni d'un papier filtre. Le sable, solide, reste sur le filtre (résidu). Les deux liquides — eau et huile — traversent le filtre ensemble et forment le filtrat.

Étape 2 — Décantation (ampoule à décanter). On verse le filtrat (eau + huile) dans une ampoule à décanter. Après repos, l'huile (moins dense) surnage au-dessus de l'eau (plus dense). On ouvre le robinet pour laisser couler l'eau, puis on referme juste avant l'interface : les deux liquides sont alors séparés.

7

Une chromatographie d'un colorant alimentaire vert donne deux taches : une jaune et une bleue, à des hauteurs différentes. Combien ce colorant contient-il de constituants ? Est-ce un corps pur ?

Voir le corrigé détaillé

Deux taches obtenues à partir d'un seul dépôt = deux constituants (un colorant jaune et un colorant bleu). Ce colorant « vert » n'est donc pas un corps pur : c'est un mélange de deux colorants qui, superposés, donnent l'impression du vert.

8

Choisis et justifie la technique de séparation adaptée à chaque situation :
a) De l'eau de vaisselle grasse (eau + huile).
b) Un jus de fruit très trouble, à clarifier rapidement en laboratoire.
c) De l'eau très boueuse d'une mare, laissée reposer toute une nuit.
d) Vérifier si un sirop de menthe contient plusieurs colorants.

Voir le corrigé détaillé

a) Ampoule à décanter : eau et huile sont deux liquides non miscibles.
b) Centrifugation : particules très fines, séparation rapide recherchée.
c) Décantation simple : le temps disponible (une nuit) permet au dépôt de se former seul.
d) Chromatographie : c'est la seule technique qui révèle les constituants colorés d'un mélange homogène.

9

Trois liquides non miscibles deux à deux sont versés dans une ampoule à décanter : l'eau (1,00 g⋅mL−11{,}00\ \text{g·mL}^{-1}), l'huile (0,92 g⋅mL−10{,}92\ \text{g·mL}^{-1}) et un solvant industriel S (1,49 g⋅mL−11{,}49\ \text{g·mL}^{-1}). Donne l'ordre des couches, de haut en bas.

Voir le corrigé détaillé

Le liquide le moins dense forme toujours la couche du dessus ; le plus dense, celle du dessous.

  1. 0,92<1,00<1,490{,}92 < 1{,}00 < 1{,}49
  2. ⇒huile << eau << solvant S, par densité croissante

De haut en bas : huile (couche du dessus), eau (couche du milieu), solvant S (couche du fond).

Niveau 3 — Défi
10

Une eau de mare est très boueuse : elle contient du sable et de l'argile très fine.

  1. Propose une première étape de traitement, et justifie ton choix.
  2. L'eau obtenue reste légèrement trouble (l'argile fine reste en suspension). Quelle technique plus poussée utiliser, et pourquoi la décantation seule ne suffit-elle pas ?
  3. Décris le résultat final attendu : aspect, corps pur ou mélange ?
Voir le corrigé détaillé

1. On commence par une décantation (repos, puis transvasement du surnageant) : c'est simple, ne nécessite aucun matériel coûteux, et permet au sable, plus lourd, de se déposer rapidement.

2. On utilise ensuite une filtration (sur papier filtre ou sur un filtre à sable fin). En effet, les particules d'argile sont si petites qu'elles mettraient un temps considérable (parfois plusieurs jours) à se déposer par simple décantation ; le filtre les retient immédiatement, quelle que soit leur taille.

3. On obtient un filtrat limpide à l'œil nu. Ce n'est toujours pas un corps pur : c'est un mélange homogène, car l'eau contient encore des sels minéraux dissous, invisibles mais bien présents.

11

Une ampoule à décanter contient 450 mL450\ \text{mL} au total de trois liquides non miscibles deux à deux, en trois couches de même volume : l'eau (1,00 g⋅mL−11{,}00\ \text{g·mL}^{-1}), l'huile (0,92 g⋅mL−10{,}92\ \text{g·mL}^{-1}) et un solvant S (1,35 g⋅mL−11{,}35\ \text{g·mL}^{-1}).

  1. Donne l'ordre des couches de haut en bas.
  2. Décris la manœuvre du robinet pour récupérer séparément les trois liquides.
  3. Calcule le volume de chaque couche, et vérifie que la somme redonne bien le volume total.
Voir le corrigé détaillé

1. Par densité croissante : 0,92<1,00<1,350{,}92 < 1{,}00 < 1{,}35, donc de haut en bas : huile, eau, solvant S.

2. On ouvre le robinet et on laisse couler le solvant S (le plus dense) dans un premier bécher ; on ferme le robinet dès que l'interface S/eau atteint le robinet. On recommence pour laisser couler l'eau dans un deuxième bécher, en refermant à l'interface eau/huile. L'huile restante est enfin récupérée par le haut de l'ampoule, dans un troisième bécher.

3. Les trois couches ont le même volume.

  1. volume d'une couche =4503= \dfrac{450}{3}
  2. ==150 mL150\ \text{mL}
  3. vérification : 150+150+150=450 mL150 + 150 + 150 = 450\ \text{mL}on retrouve bien le volume total
12

Un enquêteur compare l'encre de trois stylos (A, B, C), suspectés d'avoir écrit un même mot sur un document, par chromatographie sur la même bande de papier.

  1. Le stylo A donne 2 taches (rouge à 3 cm, bleue à 5 cm du dépôt). Le stylo B donne exactement les mêmes 2 taches, aux mêmes hauteurs. Le stylo C donne 3 taches, à des hauteurs différentes de A et B. Que peux-tu en conclure ?
  2. Pourquoi est-il important de déposer les trois encres sur la même bande de papier plutôt que sur trois bandes séparées ?
  3. Cette méthode donne-t-elle une certitude absolue que A et B sont la même encre ?
Voir le corrigé détaillé

1. A et B ont des chromatogrammes identiques (même nombre de taches, mêmes couleurs, mêmes hauteurs) : ils contiennent probablement les mêmes constituants, donc probablement la même encre. C donne un chromatogramme différent (nombre de taches et hauteurs différents) : ce n'est pas la même encre que A et B.

2. En déposant les trois encres sur la même bande, elles migrent dans le même éluant, sur le même papier, pendant la même durée : la comparaison des hauteurs n'a de sens que si toutes les conditions expérimentales sont identiques.

3. Non : deux chromatogrammes identiques rendent la même encre très probable, mais ne le prouvent pas avec une certitude absolue. Des analyses complémentaires seraient nécessaires pour conclure avec certitude.

Niveau 4 — Problèmes de vie courante
13

Le filtre à sable de Moussa (Ndjamena). Moussa fabrique un filtre artisanal pour traiter l'eau du fleuve Chari. Il achète 8 kg8\ \text{kg} de sable fin à 500500 F CFA le kilogramme, 3 kg3\ \text{kg} de gravier à 300300 F CFA le kilogramme, et un récipient avec tissu filtrant à 2 5002\,500 F CFA.

  1. Calcule le coût total du filtre.
  2. Ce filtre traite l'eau en deux étapes successives : nomme-les, dans l'ordre.
Voir le corrigé détaillé

1.

  1. coût du sable =8×500= 8 \times 500
  2. ==4 0004\,000 F CFA
  3. coût du gravier =3×300= 3 \times 300
  4. ==900900 F CFA
  5. coût total =4 000+900+2 500= 4\,000 + 900 + 2\,500
  6. ==7 4007\,400 F CFA

Le filtre de Moussa coûte au total 7 400 F CFA.

2. D'abord une décantation (l'eau boueuse repose, les particules les plus lourdes se déposent), puis une filtration à travers le sable, le gravier et le tissu, qui retiennent les particules plus fines restantes.

14

La vendeuse de bissap (Dakar). Aïda prépare 2020 litres d'infusion de bissap non filtrée, encore pleine de pétales. Après filtration au tissu, elle récupère 1717 litres de filtrat clair ; le reste est absorbé par les pétales (résidu). Elle vend le bissap filtré à 300300 F CFA le demi-litre.

  1. Quel volume de bissap a été retenu dans le résidu ?
  2. Combien de demi-litres peut-elle vendre avec les 17 litres de filtrat, et quelle est sa recette totale ?
Voir le corrigé détaillé

1.

  1. volume perdu dans le résidu =20−17= 20 - 17
  2. ==3 L3\ \text{L}

2.

  1. nombre de demi-litres =170,5= \dfrac{17}{0{,}5}
  2. ==3434 demi-litres
  3. recette =34×300= 34 \times 300
  4. ==10 20010\,200 F CFA

Aïda récupère 3 L de résidu et gagne 10 200 F CFA en vendant tout le filtrat.

15

L'huilerie de palme (Abidjan). Une décantation sépare 6060 litres de mélange huile de palme + eau de cuisson en une couche d'huile de 2222 litres (au-dessus) et une couche d'eau de 3838 litres (en dessous). L'huile est vendue 900900 F CFA le litre.

  1. Vérifie que les deux volumes obtenus correspondent bien au volume total (aucune perte de matière).
  2. Calcule la recette si toute l'huile récupérée est vendue.
  3. Rappelle pourquoi l'huile forme la couche du dessus.
Voir le corrigé détaillé

1.

  1. 22+3822 + 38
  2. ==60 L60\ \text{L}= le volume total de départ, conservation de la matière

2.

  1. recette =22×900= 22 \times 900
  2. ==19 80019\,800 F CFA

3. L'huile est moins dense que l'eau de cuisson : entre deux liquides non miscibles, le moins dense se place toujours au-dessus. L'huilerie vend l'huile récupérée 19 800 F CFA.

📝 QCM de fin de leçon — 20 questions

Coche une réponse par question, puis clique sur « Vérifier mes réponses » : tu obtiens ta note sur 20 avec la correction détaillée de chaque question.

Un corps pur est une substance qui contient :

Explication : Un corps pur ne contient qu'une seule espèce chimique. Tous ses échantillons ont exactement les mêmes propriétés.

Un mélange homogène est un mélange dont l'aspect, à l'œil nu, est :

Explication : Un mélange homogène présente un aspect uniforme : à l'œil nu, on ne distingue aucune partie séparée des autres.

Un mélange hétérogène est un mélange dont on distingue, à l'œil nu :

Explication : Un mélange hétérogène laisse voir, à l'œil nu, au moins deux parties différentes (couches, particules en suspension, morceaux…).

L'eau minérale en bouteille, parfaitement limpide, est :

Explication : L'eau minérale est limpide donc homogène, mais elle contient des sels dissous : ce n'est pas un corps pur. Eau limpide ne veut pas dire eau pure.

Deux liquides sont dits miscibles quand, mélangés et agités, ils forment :

Explication : Deux liquides miscibles, une fois mélangés et agités, forment un seul liquide homogène : on ne distingue plus qu'une seule phase.

L'eau et l'huile sont deux liquides non miscibles. Quand on les mélange, le liquide le plus dense se place :

Explication : Quand deux liquides non miscibles sont en contact, le liquide le plus dense se place toujours en dessous, et le moins dense au-dessus.

La masse volumique de l'huile (0,920{,}92 g/mL) est inférieure à celle de l'eau (1,001{,}00 g/mL). Dans un mélange eau + huile, l'huile se place :

Explication : L'huile est moins dense que l'eau (0,92 < 1,00), donc elle forme toujours la couche du dessus.

On mélange 150 g de sable et 40 g de sel. Quelle est la masse totale du mélange ?

Explication : La masse totale d'un mélange est toujours égale à la somme des masses de ses constituants :
150+40=190150 + 40 = 190 g.

La décantation consiste à :

Explication : La décantation consiste à laisser un mélange hétérogène au repos, sans le toucher, pour que ses constituants se séparent naturellement selon leur densité.

Après décantation d'une eau boueuse, le liquide clair du dessus s'appelle :

Explication : Le liquide clair qui surmonte le dépôt (sédiment) après décantation s'appelle le surnageant.

Pour séparer deux liquides non miscibles (par exemple eau et huile), on utilise :

Explication : L'ampoule à décanter est munie d'un robinet qui permet de faire couler la couche du bas (le liquide le plus dense) avant de refermer juste avant l'interface.

Dans une filtration, le liquide qui a traversé le filtre s'appelle :

Explication : Le filtrat est le liquide recueilli après être passé à travers le filtre. Le résidu est le solide qui reste retenu dessus.

Quand on prépare du café filtre, le marc de café retenu dans le papier filtre est :

Explication : Le marc de café, solide retenu par le filtre, est le résidu. Le liquide brun qui coule dans la verseuse est le filtrat.

La filtration permet-elle de séparer deux liquides non miscibles, comme l'eau et l'huile ?

Explication : La filtration ne sépare que le solide du liquide. Elle ne sépare pas deux liquides, qu'ils soient miscibles ou non : il faut une ampoule à décanter.

La centrifugation est surtout utile quand :

Explication : La centrifugation fait tourner le mélange à très grande vitesse : elle accélère la séparation quand les particules sont trop fines pour décanter rapidement seules.

La chromatographie sur papier permet de :

Explication : La chromatographie sépare les constituants colorés d'un mélange homogène : on dépose le mélange sur une bande de papier, qui migre dans un éluant.

Sur une bande de chromatographie, on dépose de l'encre noire d'un feutre. Après migration, on observe plusieurs taches de couleurs différentes. Que peut-on en conclure ?

Explication : Chaque tache correspond à un constituant du mélange initial. Plusieurs taches de couleurs différentes montrent que l'encre noire est un mélange de plusieurs colorants.

Un mélange contient du sable (solide), de l'eau et de l'huile (non miscible à l'eau). Quelle est la première étape logique pour tout séparer ?

Explication : On filtre d'abord pour retenir le sable (résidu solide) ; le filtrat obtenu (eau + huile) est ensuite séparé à l'ampoule à décanter.

Trois liquides non miscibles sont versés dans une ampoule à décanter : huile (0,92 g/mL), eau (1,00 g/mL) et un solvant S (1,49 g/mL). Quel est l'ordre des couches, de haut en bas ?

Explication : Par densité croissante 0,92<1,00<1,490{,}92 < 1{,}00 < 1{,}49, donc de haut en bas : huile (moins dense), eau, puis solvant S (le plus dense) tout en bas.

Dans une huilerie, on sépare l'huile de palme de l'eau de cuisson par décantation, parfois accélérée par centrifugation. Sur 50 L de mélange, on récupère 18 L d'huile et 32 L d'eau. La somme des deux volumes correspond-elle au volume total ?

Explication : 18+32=5018 + 32 = 50 L, exactement le volume de départ : mélanger ou séparer ne fait ni apparaître ni disparaître de la matière.
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