Avant chaque exercice, regarde le mélange. Si tu distingues plusieurs parties, comme du sable dans l'eau, le mélange est hétérogène : on peut le séparer en laissant reposer ou en filtrant. Si tu ne distingues rien, comme dans l'eau salée, le sel est dissous : aucun filtre ne le retiendra, il faudra faire évaporer l'eau.
Mélanges et dissolution
Un mélange contient au moins deux espèces chimiques, c'est-à-dire deux substances différentes, comme l'eau et le sel. Il est homogène si, à l'œil nu, tu ne distingues pas ses constituants : eau salée, sirop dilué. Il est hétérogène si tu en distingues au moins deux : eau et sable, eau et huile.
Définition : quand une espèce se disperse dans un liquide au point de ne plus se voir, c'est une dissolution. Le liquide qui dissout est le solvant, l'espèce dissoute est le soluté, et le mélange homogène obtenu est la solution. Quand le solvant est l'eau, on parle de solution aqueuse.
Le sel dissous n'a pas disparu : ses particules, bien trop petites pour être vues, se sont dispersées entre celles de l'eau. La balance le prouve : lors d'une dissolution, la masse se conserve.
La solubilité est la masse maximale de soluté que l'on peut dissoudre dans un litre de solvant. Pour le sel dans l'eau à 20 °C, elle vaut environ 358 g/L, selon une ressource d'eduscol. Au-delà, le sel en trop reste au fond, même si tu remues longtemps : la solution est saturée.
La solubilité dépend du soluté, du solvant et de la température. Le sel se dissout dans l'eau mais pas dans l'huile, et la plupart des solides se dissolvent mieux dans l'eau chaude.
Pour deux liquides, on parle de miscibilité. L'eau et le sirop sont miscibles : ensemble, ils forment un mélange homogène. L'eau et l'huile ne le sont pas : au repos, elles forment deux couches. L'huile se place au-dessus, car elle est moins dense que l'eau : à volume égal, elle est plus légère.
Piège classique : « le sucre fond dans le café » est faux en physique-chimie. Fondre, c'est passer de l'état solide à l'état liquide, comme un glaçon laissé au soleil. Le sucre, lui, se dissout : il se disperse dans le café. D'ailleurs, il se dissout aussi dans l'eau froide, seulement plus lentement.
Séparer un mélange
La technique se choisit d'après ce que tu vois dans le mélange.
| Technique | Pour séparer | Comment |
|---|---|---|
| Décantation | Un solide qui tombe au fond d'un liquide, ou deux liquides non miscibles | On laisse reposer, puis on récupère le liquide du dessus. Pour deux liquides, on utilise une ampoule à décanter, un récipient muni d'un robinet en bas. |
| Filtration | Un solide non dissous et un liquide | Un papier filtre, posé dans un entonnoir, retient le solide : c'est le résidu. Le liquide qui passe est le filtrat. |
| Évaporation | Un solide dissous et l'eau | On chauffe doucement, ou on laisse à l'air libre : l'eau part, le solide reste. |
Piège classique : un filtrat limpide (transparent, sans grain visible) n'est pas forcément de l'eau pure. Filtre de l'eau salée : le sel traverse le papier avec l'eau, car ses particules dissoutes sont bien plus petites que les trous du filtre. Une filtration ne sépare jamais un soluté de son solvant.
Exercices 1 à 4 : dissolution
Exercice 1 : Pour chaque situation, nomme le solvant, le soluté et la solution.
a) Du sel versé dans l'eau de cuisson des pâtes.
b) Un morceau de sucre dissous dans un verre d'eau.
c) Le dioxyde de carbone dissous dans une eau pétillante.
Correction :
a) Solvant : l'eau. Soluté : le sel. Solution : l'eau salée.
b) Solvant : l'eau. Soluté : le sucre. Solution : l'eau sucrée.
c) Solvant : l'eau. Soluté : le dioxyde de carbone. Solution : l'eau pétillante. Un soluté peut donc être un gaz, pas seulement un solide.
Exercice 2 : Homogène ou hétérogène ? Justifie chaque réponse.
a) De l'eau et de l'huile laissées au repos dans un verre.
b) De l'eau boueuse.
c) Du sirop de grenadine dilué dans de l'eau.
d) Du jus d'orange avec pulpe.
Correction :
a) Hétérogène : on voit deux couches.
b) Hétérogène : le mélange est trouble, on distingue des particules de terre.
c) Homogène : le mélange est rouge partout, sans aucune partie distincte. C'est le piège : un mélange coloré peut être homogène. Seule compte la question « est-ce que je distingue plusieurs parties ? ».
d) Hétérogène : on voit les morceaux de pulpe.
Exercice 3 : Sur une balance, Hugo pose un verre d'eau et une coupelle contenant 15 g de sucre : elle affiche 265 g. Il verse le sucre dans l'eau, remue jusqu'à ce qu'il ne se voie plus et repose la coupelle vide sur la balance. Que va-t-elle afficher ? Le sucre a-t-il disparu ?
Correction :
La balance affiche toujours 265 g : lors d'une dissolution, la masse se conserve. Le sucre n'a pas disparu : il est dissous, dispersé dans l'eau en particules trop petites pour être vues. Répondre 250 g, c'est croire qu'il n'est plus dans le verre.
Exercice 4 : Sami verse 100 g de sel dans un verre contenant 250 mL d'eau à 20 °C et remue longtemps.
Donnée : à 20 °C, on peut dissoudre au maximum environ 358 g de sel dans 1 L d'eau.
a) Quelle masse de sel peut se dissoudre au maximum dans 250 mL d'eau ?
b) Qu'observe Sami ? Quelle masse de sel reste au fond du verre ?
c) Comment appelle-t-on la solution obtenue ?
Correction :
a) $250\ \text{mL} = 0{,}25\ \text{L}$, soit un quart de litre. Par proportionnalité, la masse maximale est $358 \times 0{,}25 = 89{,}5$ g.
b) Sami a versé plus que ce maximum : il voit du sel au fond, même en remuant. Il en reste environ $100 - 89{,}5 = 10{,}5$ g.
c) La solution est saturée : elle ne peut plus dissoudre de sel à cette température.
Exercices 5 à 8 : séparation
Exercice 5 : On verse de l'eau et de l'huile dans une ampoule à décanter, on agite, puis on laisse reposer.
a) Que voit-on après quelques minutes ? Pourquoi ?
b) On ouvre le robinet du bas. Quel liquide sort en premier ? Quand faut-il fermer le robinet ?
Correction :
a) Deux couches bien séparées : l'eau et l'huile ne sont pas miscibles. L'huile, moins dense, est au-dessus.
b) L'eau, en bas, sort la première. On ferme le robinet quand la limite entre les deux couches l'atteint : l'huile reste dans l'ampoule.
Exercice 6 : Tu dois filtrer de l'eau boueuse.
a) Cite le matériel et décris le montage.
b) Nomme ce qui reste dans le filtre et ce qui coule dessous.
c) Le liquide obtenu est limpide. Est-ce forcément de l'eau pure ?
Correction :
a) Un entonnoir garni d'un papier filtre plié en cône, au-dessus d'un bécher. On y verse doucement le mélange.
b) La terre reste dans le filtre : c'est le résidu. L'eau limpide qui coule dans le bécher est le filtrat.
c) Non. Le filtre retient seulement ce qui n'est pas dissous. Si l'eau boueuse contenait des espèces dissoutes, elles ont traversé le papier avec l'eau.
Exercice 7 : Un bécher contient de l'eau, du sable et du sel entièrement dissous. Propose, dans l'ordre, les étapes qui permettent de récupérer d'un côté le sable, de l'autre le sel.
Correction :
Étape 1 : on filtre. Le sable, non dissous, reste dans le filtre : c'est le résidu. L'eau salée passe : c'est le filtrat.
Étape 2 : on fait évaporer l'eau du filtrat, en le chauffant doucement ou en le laissant à l'air libre. Le sel reste au fond du récipient.
L'ordre compte : en faisant évaporer d'abord, tu obtiendrais du sable et du sel mêlés.
Exercice 8 : Dans une cafetière à filtre, l'eau chaude traverse du café moulu posé dans un filtre en papier, et le café coule dans la verseuse.
a) Nomme le résidu et le filtrat.
b) Le café coule coloré et parfumé, alors que la poudre reste dans le filtre. Explique pourquoi avec les mots « dissolution » et « filtration ».
Correction :
a) Le résidu est le marc de café, la poudre restée dans le filtre. Le filtrat est le café de la verseuse.
b) L'eau chaude dissout certaines espèces chimiques de la poudre, celles qui donnent la couleur et le goût : c'est la dissolution. Dissoutes, elles traversent le papier avec l'eau, alors que les grains, non dissous, restent dans le filtre : c'est la filtration.
À retenir
À retenir :
- Homogène : on ne distingue pas les constituants à l'œil nu. Hétérogène : on en distingue au moins deux.
- Le soluté se dissout dans le solvant pour former la solution, et la masse se conserve.
- La solubilité est la masse maximale de soluté qu'un litre de solvant peut dissoudre ; au-delà, la solution est saturée.
- Deux liquides non miscibles se séparent par décantation, le moins dense au-dessus.
- La filtration retient le solide non dissous (résidu) ; le filtrat emporte ce qui est dissous.
- Un solide dissous se récupère en faisant évaporer l'eau.
Sources
- « Solutions et solubilité », ressource de physique-chimie pour la classe de 3e (cycle 4), eduscol : document sur eduscol.