Mélanges, corps purs et techniques de séparation

Mélanges homogènes, mélanges hétérogènes et corps purs

Un corps pur est constitué d'une seule espèce chimique (par exemple, de l'eau distillée pure). Un mélange contient au moins deux espèces chimiques différentes.
- Un mélange hétérogène présente au moins deux constituants visibles à l'œil nu (ex. eau boueuse, vinaigrette).
- Un mélange homogène ne présente qu'une seule phase visible à l'œil nu : les constituants sont intimement mêlés (ex. eau salée limpide, air).

Méthode
Observer attentivement l'échantillon à l'œil nu ou à la loupe après l'avoir agité puis laissé reposer.
Vérifier si l'on distingue plusieurs parties ou aspects différents : si oui, c'est un mélange hétérogène.
Si l'aspect est totalement uniforme et transparent (ou uniforme d'une seule couleur sans particules en suspension), c'est un mélange homogène ou un corps pur.
Pour trancher entre corps pur et mélange homogène, examiner les propriétés physiques (par exemple, la vaporisation totale qui laisse ou non un résidu).

Exemple
On verse une cuillère de sel dans un verre d'eau et on agite jusqu'à dissolution complète. Le liquide obtenu est limpide. De quel type de matière s'agit-il ?

Corrigé pas à pas
Il s'agit d'un mélange homogène. Le liquide contient deux substances différentes (l'eau et le sel dissous), mais on ne distingue qu'une seule phase transparente à l'œil nu.

Erreurs fréquentes
Confondre « limpide » et « corps pur » : une eau salée ou sucrée est parfaitement limpide mais reste un mélange homogène.
Penser que le lait est un corps pur : le lait est un mélange (qui paraît homogène à l'œil nu mais se révèle hétérogène au microscope avec ses globules de matière grasse).

Séparer les constituants d'un mélange hétérogène

Pour séparer les constituants d'un mélange hétérogène solide-liquide ou non miscible, on utilise des techniques mécaniques simples :
- La décantation : laisser reposer le mélange pour que les constituants les plus denses se déposent au fond (sédimentation) ou flottent en surface.
- La filtration : faire passer le mélange à travers un filtre. Le liquide limpide obtenu est le filtrat, et les particules solides retenues forment le résidu.
- Le tamisage : séparer des solides de tailles différentes à l'aide d'un tamis.
- L'aimantation : séparer des particules de fer grâce à un aimant.

Méthode
Identifier l'état physique des constituants (solide-liquide, liquide-liquide, solide-solide).
Pour un solide en suspension dans un liquide, choisir la décantation (rapide mais incomplète) ou la filtration (plus lente mais retenant toutes les particules supérieures aux pores du filtre).
Pour deux liquides non miscibles (huile et eau), utiliser une ampoule à décanter pour évacuer le liquide le plus dense par le robinet inférieur.

Exemple
Comment séparer un mélange de sable, de sel de cuisine et de limailles de fer pour récupérer chaque constituant ?

Corrigé pas à pas
On procède par étapes successives :
1. Aimantation : on approche un aimant pour attirer et récupérer toute la limaille de fer.
2. Dissolution : on ajoute de l'eau au mélange restant de sable et de sel ; le sel se dissout dans l'eau tandis que le sable reste solide.
3. Filtration : on filtre le mélange. Le sable reste dans le filtre (résidu), tandis que l'eau salée s'écoule (filtrat).
4. Évaporation : on fait évaporer l'eau du filtrat pour récupérer les cristaux de sel.

Erreurs fréquentes
Appeler le liquide recueilli « résidu » : le liquide s'appelle le filtrat, le solide retenu est le résidu.
Penser que la filtration permet de retirer le sel dissous dans l'eau : le sel dissous traverse le filtre car ses particules sont trop petites.

Séparer les constituants d'un mélange homogène

Pour séparer les constituants d'un mélange homogène (liquide-solide dissous ou liquide-liquide), on utilise les changements d'état :
- L'évaporation : faire disparaître lentement le solvant liquide sous forme de vapeur à l'air libre pour ne récupérer que le solide dissous (ex. marais salants).
- La distillation simple : chauffer le mélange jusqu'à l'ébullition. Le liquide le plus volatil se vaporise, puis ses vapeurs sont refroidies dans un réfrigérant pour se condenser. On recueille le liquide purifié appelé distillat et le résidu reste dans le ballon.

Méthode
Si l'on souhaite seulement récupérer le solide dissous : chauffer ou laisser évaporer le liquide à l'air libre.
Si l'on souhaite récupérer à la fois le liquide pur et le solide (ou séparer deux liquides miscibles) : réaliser une distillation.
Chauffer le ballon jusqu'à ébullition : le liquide s'évapore et monte sous forme de gaz.
Faire circuler de l'eau froide dans le réfrigérant pour liquéfier la vapeur et recueillir le distillat dans une fiole.

Exemple
Comment peut-on obtenir de l'eau douce pure à partir d'eau de mer tout en récupérant l'eau liquide ?

Corrigé pas à pas
On utilise la distillation simple. On chauffe l'eau de mer dans un ballon jusqu'à ébullition ($100\text{ }^\circ\text{C}$). L'eau pure se vaporise et s'échappe, tandis que le sel reste dans le ballon. La vapeur d'eau passe ensuite dans un réfrigérant où elle se refroidit et redevient liquide. On recueille ainsi de l'eau distillée pure (le distillat).

Erreurs fréquentes
Dire que l'eau s'évapore uniquement à 100 °C : l'évaporation a lieu à la surface à toute température, mais l'ébullition se produit à température fixe ($100\text{ }^\circ\text{C}$ pour l'eau pure à pression atmosphérique normale) dans tout le liquide.
Croire que l'évaporation simple permet de récupérer le liquide : avec une simple coupelle d'évaporation, le liquide s'échappe dans l'atmosphère et est perdu.

Choisir la technique de séparation adaptée à un mélange

1. Observer l'aspect du mélange : est-il hétérogène (plusieurs phases visibles) ou homogène (une seule phase visible) ?
2. Si le mélange est hétérogène liquide-solide, utiliser la décantation ou la filtration.
3. Si le mélange est hétérogène liquide-liquide non miscible (eau et huile), utiliser une ampoule à décanter.
4. Si le mélange est homogène liquide-solide dissous : utiliser l'évaporation si l'on ne veut garder que le solide, ou la distillation si l'on veut récupérer le liquide pur.
5. Si le mélange est un solide contenant du fer : utiliser un aimant (aimantation).

Exemple
On dispose d'un bécher contenant un mélange d'eau, de sable et de sel dissous. Donne la suite ordonnée des techniques pour isoler le sable sec, l'eau liquide pure et le sel solide.

Corrigé pas à pas
1. Filtration : on filtre le mélange. Le sable solide est retenu sur le filtre (résidu), on le laisse sécher. Le liquide qui passe est de l'eau salée (filtrat).
2. Distillation simple : on place le filtrat (eau salée) dans un appareil à distiller et on chauffe à ébullition. L'eau se vaporise, est condensée par le réfrigérant et recueillie sous forme d'eau pure (distillat). Le sel reste cristallisé au fond du ballon de chauffage.

Vocabulaire fondamental

• Corps pur : substance formée d'un seul type de constituant chimique (ex. eau distillée).
• Mélange homogène : mélange où l'on ne distingue aucun constituant différent à l'œil nu (une seule phase).
• Mélange hétérogène : mélange où l'on distingue au moins deux constituants distincts (plusieurs phases).

Techniques de séparation à retenir

• Décantation : séparation sous l'effet de la pesanteur (solide lourd au fond ou liquides non miscibles).
• Filtration : séparation solide-liquide grâce à un filtre poreux (donne un résidu solide et un filtrat liquide).
• Évaporation : élimination du solvant sous forme gazeuse pour récupérer le soluté solide.
• Distillation simple : ébullition suivie de la condensation de la vapeur dans un réfrigérant pour recueillir le distillat pur.