Mélanges et solutions

Les 3 idées à avoir en tête (et rien d'autre pour l'instant)

Idée 1 — corps pur ou mélange ? Un corps pur est fait d'un seul constituant : eau distillée, fer pur, dioxygène. Dès qu'il y a au moins deux constituants différents, c'est un mélange.

Idée 2 — homogène ou hétérogène ? C'est une question d'yeux, pas de goût.

Mélange homogène : tout est uniforme, tu ne distingues pas les constituants à l'œil nu (eau sucrée).

Mélange hétérogène : tu vois au moins deux parties différentes, un dépôt, des couches, des bulles (eau et huile, eau et sable).

Idée 3 — la solution. Un mélange homogène liquide s'appelle une solution. Elle est obtenue par dissolution d'un soluté dans un solvant. La relation à retenir tient en une ligne :

$\text{solution} = \text{soluté} + \text{solvant}$

Le solvant est celui qui dissout (le plus souvent l'eau, on parle alors de solution aqueuse). Le soluté est celui qui est dissous (solide, liquide ou gaz).

Et un dernier mot gratuit : quand on ne peut plus rien dissoudre de plus et qu'un excès reste au fond, la solution est saturée.

Un exemple entièrement traité : l'eau salée

Énoncé. On verse une cuillère de sel dans un verre d'eau et on remue. Décris ce qui se passe avec les mots du cours.

Étape 1. J'identifie les constituants : il y a de l'eau et du sel, donc deux constituants : c'est un mélange, pas un corps pur.

Étape 2. J'observe : après avoir remué, plus aucun grain n'est visible, le liquide est uniforme et transparent. Je ne distingue pas les constituants à l'œil nu, donc le mélange est homogène.

Étape 3. Je nomme : c'est un mélange homogène liquide, donc c'est une solution. Le solvant est l'eau, c'est donc une solution aqueuse.

Étape 4. Je répartis les rôles : le sel a été dissous, c'est le soluté ; l'eau a dissous, c'est le solvant.

Conclusion à écrire sur la copie. L'eau salée est une solution aqueuse : le sel (soluté) a été dissous dans l'eau (solvant). Le mélange obtenu est homogène. L'eau de mer en est un exemple naturel.

Le réflexe qui sauve une question. Transparent ne veut pas dire pur : l'eau salée est limpide et pourtant elle contient de l'eau et du sel.

Corps pur, mélange homogène, mélange hétérogène

Corps pur. Substance formée d'un seul constituant. Exemples : eau distillée, fer pur, dioxygène. Dans la vie courante, les corps purs sont rares : la plupart des substances qui t'entourent sont des mélanges.

Mélange. Substance contenant au moins deux constituants différents. On en distingue deux familles.

Mélange homogène. L'ensemble est uniforme : on ne distingue pas les constituants à l'œil nu. Exemple : eau sucrée, eau salée.

Mélange hétérogène. On distingue visuellement au moins deux parties différentes : un dépôt au fond, des couches superposées, des bulles. Exemples : eau et huile, eau et sable.

Le vocabulaire des liquides. Deux liquides qui ne se mélangent pas et forment deux couches sont dits non miscibles (eau et huile). Quand ils forment au contraire un liquide uniforme, ils sont miscibles.

Le test à faire mentalement. « Est-ce que je vois plusieurs parties ? » Si oui, hétérogène. Si non, homogène. Et attention, homogène ne signifie pas corps pur : c'est le piège numéro un de la notion.

La solution : soluté, solvant, dissolution, saturation

Définition. Un mélange homogène liquide s'appelle une solution. On l'obtient en dissolvant un soluté dans un solvant.

Le solvant est le constituant qui dissout. Le plus souvent c'est l'eau : on parle alors de solution aqueuse.

Le soluté est le constituant dissous. Il peut être solide (le sel, le sucre), liquide, ou même gazeux (le gaz d'une limonade).

La dissolution est l'action de faire disparaître le soluté dans le solvant jusqu'à obtenir un liquide uniforme.

La saturation. On ne peut pas dissoudre indéfiniment. Quand on ne peut plus dissoudre davantage de soluté, la solution est saturée : l'excès de soluté reste au fond du récipient sans se dissoudre.

Le repère qui aide beaucoup : $\text{solution} = \text{soluté} + \text{solvant}$, et si le solvant est l'eau, alors solution aqueuse.

Attention à ne pas confondre. Le sucre qui a disparu dans le thé n'a pas été détruit : il est dissous, toujours présent, simplement invisible. C'est pour ça que le thé est sucré.

Méthode : séparer un mélange, quelle technique choisir

Trois techniques au programme, et une seule bonne réponse à chaque fois. La question à te poser en premier est toujours la même : le constituant à récupérer est-il dissous ou non ?

1. La filtration — pour séparer un solide non dissous d'un liquide. On verse le mélange dans un entonnoir muni d'un filtre : le solide reste sur le filtre, le liquide traverse et est recueilli dans un bécher. Exemple : eau et sable. Le liquide recueilli s'appelle le filtrat.

2. La décantation — pour séparer deux liquides non miscibles, ou un solide déposé au fond. On laisse reposer sans toucher : les deux couches se séparent, puis on soutire la phase inférieure. Exemple : eau et huile.

3. L'évaporation — pour récupérer un soluté solide dissous. On chauffe la solution : le solvant s'évapore et le soluté reste dans le récipient. Exemple : récupérer le sel de l'eau salée.

L'arbre de décision, en trois questions.

Le mélange contient-il un solide qui n'est pas dissous ? Oui, alors filtration (ou décantation si on veut juste laisser tomber le dépôt).

Le mélange contient-il deux liquides non miscibles ? Oui, alors décantation.

Le constituant à récupérer est-il dissous dans le liquide ? Oui, alors évaporation, et surtout pas la filtration.

Ensemble n°1 : eau et sable

Situation. On verse une poignée de sable dans un verre d'eau et on remue. Identifie le mélange, puis propose une technique pour récupérer de l'eau claire.

Ligne 1 — j'observe. Les grains de sable restent visibles et se déposent au fond du verre. Pourquoi je commence par là : la nature du mélange se décide toujours à l'œil, avant tout raisonnement.

Ligne 2 — je conclus sur la nature. Comme je distingue deux parties différentes, l'eau et les grains, le mélange est hétérogène. Le mot hétérogène doit apparaître, c'est lui qui rapporte le point.

Ligne 3 — je qualifie le sable. Le sable ne s'est pas dissous : c'est un solide non dissous. Cette phrase est le pivot : c'est elle qui va imposer la technique.

Ligne 4 — je choisis la technique. Pour séparer un solide non dissous d'un liquide, on utilise la filtration.

Ligne 5 — je décris le geste. Je verse le mélange dans un entonnoir muni d'un filtre posé au-dessus d'un bécher. Le sable est retenu par le filtre, l'eau traverse et est recueillie dans le bécher.

Ligne 6 — je conclus. J'obtiens d'un côté le sable sur le filtre, de l'autre de l'eau claire dans le bécher.

Variante possible. Si on attend simplement sans rien faire, le sable se dépose au fond : c'est une décantation. On peut alors verser doucement l'eau claire, mais la séparation est moins nette qu'avec une filtration.

Ensemble n°2 : récupérer le sel de l'eau salée

Situation. On dispose d'un verre d'eau salée. On veut récupérer le sel. Un élève propose de filtrer. Que penses-tu de sa proposition, et que fais-tu ?

Ligne 1 — j'identifie le mélange. L'eau salée est uniforme et transparente, aucun grain n'est visible : c'est un mélange homogène, plus précisément une solution aqueuse.

Ligne 2 — je qualifie le sel. Le sel est dissous dans l'eau : il n'existe plus sous forme de grains. C'est exactement l'inverse du sable de l'exemple précédent, et tout le raisonnement en découle.

Ligne 3 — je critique la proposition. La filtration ne retient que les solides non dissous. Comme le sel est dissous, il passerait à travers le filtre avec l'eau. La proposition ne fonctionne donc pas : on récupérerait de l'eau salée, exactement comme au départ.

Ligne 4 — je choisis la bonne technique. Pour récupérer un soluté solide dissous, on utilise l'évaporation.

Ligne 5 — je décris le geste. Je verse un peu d'eau salée dans une coupelle et je chauffe doucement. L'eau, le solvant, s'évapore peu à peu.

Ligne 6 — je conclus. Quand toute l'eau est partie, il reste au fond de la coupelle des cristaux blancs : c'est le sel, le soluté, qui était bien présent tout du long. C'est le principe des marais salants.

Ensemble n°3 : eau et huile

Situation. On verse de l'huile dans un verre d'eau, on agite fortement, puis on laisse reposer. Décris et sépare.

Ligne 1 — au repos, j'observe. L'huile ne se dissout pas dans l'eau. Les deux liquides forment deux couches distinctes : ils sont non miscibles.

Ligne 2 — je conclus sur la nature. Comme je distingue deux parties différentes à l'œil nu, le mélange est hétérogène.

Ligne 3 — j'ordonne les couches. L'huile, moins dense que l'eau, flotte au-dessus de l'eau. C'est une observation à savoir donner dans le bon sens : l'huile est toujours en haut.

Ligne 4 — après agitation. Le mélange devient trouble, mais ce n'est pas une dissolution : dès qu'on laisse reposer, les deux couches se reforment. Le mélange reste hétérogène.

Ligne 5 — je choisis la technique. Pour séparer deux liquides non miscibles, on utilise la décantation.

Ligne 6 — je décris le geste. Je verse le mélange dans une ampoule à décanter et je laisse reposer jusqu'à voir deux couches nettes. J'ouvre le robinet pour soutirer la phase inférieure, c'est-à-dire l'eau, puis je referme dès que la limite entre les deux couches arrive au robinet. L'huile reste dans l'ampoule.

Conclusion. Les deux liquides sont séparés : l'eau dans le bécher, l'huile dans l'ampoule.

Les subtilités qui font perdre des points

Piège 1 — homogène n'est pas pur. L'eau salée est transparente et uniforme, et pourtant elle contient de l'eau et du sel : c'est un mélange, pas un corps pur. Écrire « l'eau salée est un corps pur car on ne voit qu'une seule chose » est une faute classique.

Piège 2 — la filtration ne retient que le non dissous. Le sel dissous passe à travers le filtre. Pour récupérer un soluté dissous, il faut évaporer. Si dans un énoncé le mot « dissous » apparaît, raye mentalement la filtration.

Piège 3 — transparent ne veut pas dire pur. Une solution peut être parfaitement limpide et contenir plusieurs solutés dissous. L'eau du robinet en est l'exemple parfait.

Piège 4 — dissous ne veut pas dire disparu. Le soluté est toujours là, simplement invisible à l'œil nu. C'est pour cela qu'on peut le récupérer par évaporation.

Ce que le correcteur attend, systématiquement.

Le mot de vocabulaire exact : homogène, hétérogène, solution, soluté, solvant, non miscibles, saturée.

Une justification par l'observation : « hétérogène car on distingue deux couches », et non « hétérogène » tout seul.

Le choix de la technique justifié : « filtration car le sable n'est pas dissous ». Le « car » vaut au moins autant que la technique.

La description du geste avec le nom du matériel : entonnoir, filtre, bécher, ampoule à décanter, coupelle.

Problème type 1 : le mélange eau + sable + sel

Énoncé. Dans un bécher, on a mélangé de l'eau, du sable et du sel, puis on a agité. On veut récupérer d'un côté le sable, de l'autre le sel. Décris le mélange obtenu, puis propose un protocole complet.

1. Nature du mélange. Le sel s'est dissous, il n'est plus visible. Le sable, lui, ne s'est pas dissous : les grains restent visibles et se déposent. Comme je distingue au moins deux parties différentes à l'œil nu, le mélange est hétérogène.

2. Je répartis les constituants. Le sel est un soluté dissous dans l'eau, qui joue le rôle de solvant. Le sable est un solide non dissous en suspension.

3. Première étape du protocole : la filtration. Je verse le mélange dans un entonnoir muni d'un filtre placé au-dessus d'un bécher. Le sable, non dissous, est retenu par le filtre. Le liquide qui traverse, le filtrat, est de l'eau salée : le sel dissous est passé à travers le filtre avec l'eau.

4. Résultat intermédiaire. J'ai récupéré le sable sur le filtre. Il ne reste plus qu'à extraire le sel du filtrat.

5. Deuxième étape : l'évaporation. Je verse le filtrat dans une coupelle et je chauffe doucement. L'eau, le solvant, s'évapore. Le sel, le soluté, ne s'évapore pas et reste au fond.

6. Conclusion. À la fin, j'ai le sable sur le filtre et des cristaux de sel dans la coupelle. Les deux constituants solides sont séparés.

Attention à l'ordre. On filtre d'abord, on évapore ensuite. Si on évapore en premier, le sel et le sable se retrouvent mélangés dans la coupelle et tout est à refaire.

Problème type 2 : le sel des marais salants

Énoncé. L'eau de mer est limpide. Un élève affirme : « L'eau de mer est un corps pur, la preuve, elle est transparente. » Un autre propose de la filtrer pour obtenir du sel. Corrige ces deux affirmations, puis explique comment on obtient réellement le sel dans un marais salant.

1. Je corrige la première affirmation. C'est faux. La transparence ne prouve rien : un mélange homogène est justement uniforme et souvent limpide. L'eau de mer contient de l'eau et du sel dissous, donc au moins deux constituants : c'est un mélange, et plus précisément une solution aqueuse. Un corps pur, ce serait de l'eau distillée.

2. Je corrige la seconde affirmation. C'est faux aussi. La filtration ne retient que les solides non dissous. Le sel de l'eau de mer est dissous : il traverserait le filtre avec l'eau. Après filtration, on obtiendrait encore de l'eau salée.

3. Ce que la filtration retiendrait quand même. Si l'eau de mer contient du sable ou des débris en suspension, ceux-là seraient retenus par le filtre, car ils ne sont pas dissous. Mais le sel, lui, passerait.

4. La bonne technique. Pour récupérer un soluté solide dissous, on utilise l'évaporation : on fait partir le solvant, l'eau, et le soluté reste.

5. Application au marais salant. On fait entrer l'eau de mer dans de grands bassins peu profonds. Sous l'effet du soleil et du vent, l'eau s'évapore progressivement. La solution se concentre de plus en plus en sel, jusqu'à devenir saturée : le sel ne peut plus rester dissous et se dépose au fond du bassin, où il est récolté.

6. Conclusion à rédiger. L'eau de mer est une solution aqueuse dans laquelle le sel est le soluté et l'eau le solvant. On récupère le sel par évaporation du solvant, jamais par filtration.

Pourquoi l'huile flotte : la masse volumique

Dans le cours, on écrit que l'huile flotte « parce qu'elle est moins dense ». L'an prochain, cette phrase devient une grandeur calculable : la masse volumique, notée $\rho$, qui compare la masse d'un corps au volume qu'il occupe.

$\rho = \dfrac{m}{V}$

Ici $m$ est la masse, en grammes, et $V$ le volume, en millilitres ou en centimètres cubes. La masse volumique s'exprime alors en grammes par millilitre.

Ce que ça explique. Entre deux liquides non miscibles, celui dont la masse volumique est la plus faible se place au-dessus. L'huile a une masse volumique inférieure à celle de l'eau : elle flotte. Ce n'est donc pas une propriété magique de l'huile, c'est un rapport entre deux nombres.

Le lien avec ce que tu viens d'apprendre. C'est exactement ce qui rend la décantation possible : sans différence de masse volumique, les deux couches ne se rangeraient pas l'une au-dessus de l'autre et il n'y aurait rien à soutirer.

Le sucre dissous pèse toujours : la conservation de la masse

Voici l'expérience que tu feras bientôt. On pose sur une balance un verre d'eau et, à côté, un morceau de sucre ; on note la masse totale. Puis on jette le sucre dans l'eau, on remue jusqu'à dissolution complète, et on repose l'ensemble sur la balance.

Résultat : la balance affiche exactement la même valeur.

$m_{\text{avant}} = m_{\text{après}}$

L'idée à retenir. Lors d'une dissolution, la masse se conserve. Le sucre n'a pas disparu et il n'a pas été détruit : il s'est dispersé si finement dans l'eau qu'on ne le voit plus, mais toute sa matière est encore là. C'est précisément pour cette raison que l'évaporation permet de le récupérer intact.

Le raisonnement derrière. Si la masse se conserve, c'est que la matière est faite de constituants trop petits pour être vus, qui ne sont ni créés ni détruits par la dissolution, seulement séparés les uns des autres et mêlés au solvant. Cette idée-là, le modèle particulaire, arrive en 5e et en 4e, et elle réexplique tout le cours que tu viens de lire.

Un cas amusant qui semble contredire. Dans une limonade, le soluté est un gaz. Si tu laisses la bouteille ouverte, le gaz s'échappe et là, oui, la masse diminue : mais rien n'a disparu, le gaz est simplement parti dans la pièce.

Quand les trois techniques ne suffisent plus

La distillation. L'évaporation te donne le soluté, mais elle laisse partir le solvant dans l'air. Si on veut récupérer les deux, on chauffe la solution puis on refroidit la vapeur dans un tube froid pour qu'elle redevienne liquide : on obtient de l'eau distillée d'un côté, le soluté de l'autre. C'est le principe des usines de dessalement de l'eau de mer, et c'est un montage que tu verras au collège.

Les mélanges qui ne sont pas liquides. Un mélange homogène n'est pas forcément une solution liquide. L'air que tu respires est un mélange homogène de gaz, principalement du diazote et du dioxygène. L'idée de mélange dépasse donc largement le verre d'eau.

Les émulsions. Quand on agite très fort une vinaigrette, l'huile se disperse en gouttelettes minuscules dans le vinaigre : le mélange semble presque uniforme, mais il reste hétérogène et les couches se reforment au repos. On appelle cela une émulsion. En ajoutant de la moutarde, on la stabilise : la cuisine, c'est de la chimie qui se mange.

La solubilité et la température. Une solution saturée à froid ne l'est plus forcément à chaud : on peut souvent dissoudre davantage de soluté en chauffant le solvant. Ainsi, on peut dissoudre bien plus de sucre dans un thé brûlant que dans un thé glacé (le sucre s'y dissout aussi plus vite, mais c'est un autre effet de la chaleur : la vitesse de dissolution n'est pas la solubilité). Cette quantité maximale que l'on peut dissoudre porte un nom, la solubilité, et elle se mesure.

Et pour finir. Toutes ces techniques ont un point commun : elles exploitent une différence de propriété entre les constituants. Différence de taille pour la filtration, différence de masse volumique pour la décantation, différence de température de changement d'état pour l'évaporation et la distillation. Séparer, en chimie, c'est toujours trouver la propriété par laquelle deux constituants ne se ressemblent pas.