Les mélanges
Corps pur et mélange
Avant de mélanger quoi que ce soit, il faut savoir ce qu'on appelle une matière « non mélangée ». C'est ce qu'on nomme un corps pur.
Un corps pur est constitué d'une seule sorte de matière (une seule substance). Un mélange contient plusieurs sortes de matière (plusieurs substances).
L'eau distillée, vendue en pharmacie pour les fers à repasser, est (à très peu de chose près) un corps pur : il n'y a que de l'eau dedans, rien d'autre. À l'opposé, l'eau minérale que tu achètes en bouteille n'est pas un corps pur : en plus de l'eau, elle contient des sels minéraux dissous (c'est même écrit sur l'étiquette). C'est donc un mélange.
Exemple 1. L'air que tu respires est un mélange : surtout du diazote et du dioxygène (les deux gaz principaux de l'air), plus un peu d'autres gaz. Ce n'est pas un corps pur.
Exemple 2. Le lait est un mélange : de l'eau, des matières grasses, des protéines, du sucre (le lactose).
Exemple 3. Le jus d'orange est un mélange : eau, sucre, arômes, pulpe.
Le piège de l'eau du robinet
On entend souvent dire que l'eau du robinet est « de l'eau pure ». C'est faux. L'eau du robinet contient des sels minéraux dissous, parfois un peu de chlore ajouté pour la désinfecter : c'est un mélange, pas un corps pur. Seule l'eau distillée (ou déminéralisée) s'approche d'un vrai corps pur.
Un corps pur ne contient qu'une seule substance ; un mélange en contient plusieurs. L'eau minérale, l'air, le lait et l'eau du robinet sont des mélanges ; l'eau distillée est (quasi) un corps pur.
Mélanges homogènes et hétérogènes
Tous les mélanges ne se ressemblent pas. Dans certains, on distingue à l'œil les différents constituants ; dans d'autres, tout semble uniforme. C'est la grande partition de ce chapitre.
Un mélange est homogène si l'on ne distingue pas ses différents constituants : il a le même aspect partout. Il est hétérogène si l'on distingue au moins deux constituants (à l'œil nu).
Exemple 1 — homogène. L'eau salée : une fois le sel dissous, tu ne vois plus le sel. Le liquide est limpide et uniforme. De même, l'eau sucrée et l'air sont homogènes.
Exemple 2 — hétérogène. L'eau + sable : le sable reste visible au fond. L'eau + huile : on voit deux couches. Le jus d'orange avec pulpe : on distingue les morceaux de pulpe. Tous ces mélanges sont hétérogènes.
Un seul critère : voit-on les constituants ?
Pour trancher, pose-toi une seule question : est-ce que je distingue plusieurs choses différentes en regardant le mélange ? Si oui, hétérogène. Si tout est uniforme, homogène. Attention : « limpide » ne veut pas dire « pur ». L'eau salée est limpide et uniforme, donc homogène — mais ce reste un mélange, pas un corps pur.
Homogène = un seul aspect, constituants invisibles à l'œil (eau salée, eau sucrée, air). Hétérogène = on distingue les constituants (eau + sable, eau + huile, jus avec pulpe).
Miscibilité de deux liquides
Que se passe-t-il quand on mélange deux liquides ? Tout dépend de leur miscibilité.
Deux liquides sont miscibles s'ils forment un mélange homogène quand on les mélange (on ne les distingue plus). Ils sont non miscibles s'ils forment des couches séparées (mélange hétérogène).
Exemple 1 — miscibles. L'eau et le sirop (de menthe, de grenadine) : une fois mélangés et remués, on obtient un seul liquide coloré uniforme. Eau et sirop sont miscibles. Même chose pour l'eau et le thé.
Exemple 2 — non miscibles. L'eau et l'huile : on a beau remuer, dès qu'on laisse reposer, deux couches réapparaissent. L'huile et l'eau sont non miscibles.
Pourquoi l'huile est-elle au-dessus ?
Quand l'eau et l'huile se séparent en couches, l'huile se place toujours au-dessus. La raison : l'huile est moins dense que l'eau (sa masse volumique est plus petite). Tu as vu la masse volumique au chapitre Les états de la matière et tu l'approfondiras dans Masse, volume et masse volumique — l'idée est qu'à volume égal, l'huile est plus légère, donc elle flotte sur l'eau.
Deux liquides miscibles forment un mélange homogène (eau + sirop) ; deux liquides non miscibles forment des couches (eau + huile). Le liquide le moins dense se place au-dessus — l'huile flotte sur l'eau.
Solution, soluté, solvant et saturation
On change de situation : au lieu de mélanger deux liquides, on dissout un solide dans un liquide. C'est ce qui se passe quand Yasmine sucre son thé.
Dissoudre un soluté (le solide, par exemple le sucre) dans un solvant (le liquide, par exemple le thé ou l'eau) donne une solution. Une solution est toujours un mélange homogène.
Le vocabulaire est précis, apprends-le bien :
- le soluté est ce qu'on dissout (le sucre, le sel) ;
- le solvant est ce qui dissout (l'eau, le thé) — c'est en général le liquide le plus abondant ;
- la solution est le résultat homogène (l'eau sucrée, l'eau salée).
Exemple 1. Dans un verre d'eau sucrée : soluté = sucre, solvant = eau, solution = eau sucrée.
Exemple 2. Dans le thé à la menthe sucré : soluté = sucre, solvant = thé, solution = thé sucré.
La saturation : il y a une limite
Tu peux dissoudre beaucoup de sucre dans l'eau, mais pas une quantité infinie. À partir d'un certain point, le surplus de sucre tombe au fond et ne se dissout plus.
Une solution est saturée quand le solvant ne peut plus dissoudre de soluté : tout soluté ajouté en plus reste non dissous (il se dépose au fond).
Exemple. Si l'eau d'un verre peut dissoudre au maximum 36 g de sel et que tu en verses 40 g, alors 36 g se dissolvent et il reste g de sel non dissous au fond. La solution est saturée.
Solution = soluté dissous dans un solvant (mélange homogène). Au-delà d'une quantité limite, la solution est saturée et le surplus de soluté ne se dissout plus.
Techniques de séparation des mélanges
Savoir mélanger, c'est bien ; savoir séparer, c'est tout l'art du chimiste. Selon le mélange, on choisit la bonne technique.
La décantation consiste à laisser reposer un mélange hétérogène pour que le solide (ou le liquide le plus dense) se dépose au fond ; on récupère ensuite le liquide clair du dessus.
La filtration fait passer le mélange à travers un filtre (papier filtre) qui retient le solide non dissous mais laisse passer le liquide et tout ce qui y est dissous.
L'évaporation (ou la distillation) consiste à chauffer la solution pour faire partir le solvant sous forme de gaz ; on récupère soit le soluté resté au fond (évaporation), soit le solvant condensé (distillation).
Ce que la filtration ne sait PAS faire
C'est le point le plus important — et le plus piégeux. La filtration ne sépare pas un mélange homogène. Si tu filtres de l'eau salée, le sel dissous traverse le papier filtre avec l'eau : tu récupères de l'eau salée des deux côtés, le sel n'a pas été retiré. Le papier filtre ne retient que ce qui est solide et non dissous (le sable, la pulpe), jamais ce qui est dissous.
Pour récupérer le sel d'une eau salée, il ne faut donc pas filtrer, mais évaporer l'eau : le sel reste au fond.
Décantation et filtration séparent les mélanges hétérogènes (solide non dissous). Pour séparer un mélange homogène (soluté dissous), il faut évaporer ou distiller, jamais filtrer.
Pièges classiques
Piège 1 : confondre « homogène » et « corps pur ». Un mélange homogène a un aspect uniforme, mais il reste un mélange. L'eau salée est homogène (on ne voit pas le sel) et pourtant ce n'est pas un corps pur : il y a deux substances dedans, l'eau et le sel. Homogène décrit l'aspect ; corps pur décrit la composition.
Piège 2 : croire que l'eau du robinet est un corps pur. Elle contient des sels dissous : c'est un mélange (voir plus haut, Le piège de l'eau du robinet).
Piège 3 : penser que la filtration sépare tout. Le sel dissous traverse le filtre ; pour le retirer, il faut évaporer (voir plus haut, Ce que la filtration ne sait PAS faire).
Piège 4 : confondre « dissoudre » et « fondre ». Fondre, c'est passer de l'état solide à l'état liquide en chauffant (la glace qui fond). Dissoudre, c'est répartir un soluté dans un solvant (le sucre dans l'eau, sans rien chauffer). Le sucre qui se dissout dans le thé ne « fond » pas : il se disperse.
Piège 5 : croire que le sucre disparaît quand il se dissout. Quand le sucre se dissout, il ne disparaît pas : il est toujours là, simplement réparti dans tout le liquide sous forme de très petites particules invisibles. La preuve : le thé devient sucré au goût. La matière est encore présente.
Piège 6 : penser que la masse change lors d'une dissolution. Lors d'une dissolution, la masse se conserve. Si tu dissous 20 g de sucre dans 100 g d'eau, tu obtiens une solution de g. Rien ne se perd : le sucre n'a pas disparu, il s'est réparti.
Application concrète
Yasmine reçoit des amis chez elle à Fès. Elle prépare d'abord un thé à la menthe sucré, puis, parce qu'une coupure d'eau l'a obligée à puiser dans un seau d'eau boueuse, elle veut en tirer de l'eau potable. Suivons-la, étape par étape.
Étape 1 — Préparer la solution sucrée.
Yasmine verse du sucre dans son thé chaud et remue. Le sucre se dissout : il disparaît à la vue mais reste présent (le thé devient sucré au goût). Vocabulaire exact : le soluté est le sucre, le solvant est le thé, et le résultat est une solution — un mélange homogène, car on ne distingue plus le sucre. Attention, le sucre ne « fond » pas : il se disperse dans le liquide.
Étape 2 — Décanter l'eau boueuse.
L'eau du seau est un mélange hétérogène : on y voit de la terre en suspension. Yasmine la laisse reposer plusieurs heures. C'est la décantation : les grosses particules de terre, plus denses, tombent au fond. Elle récupère délicatement l'eau plus claire du dessus, en laissant le dépôt.
Étape 3 — Filtrer.
L'eau récupérée contient encore de fines particules solides en suspension. Yasmine la verse dans un filtre (un papier filtre, ou un tissu fin). La filtration retient ces solides non dissous ; l'eau qui passe est désormais limpide. Mais attention : si l'eau contenait du sel dissous, le sel traverserait le filtre — la filtration ne sépare que ce qui n'est pas dissous.
Étape 4 — Faire bouillir.
Pour éliminer les microbes éventuels (qu'aucun filtre simple ne retire), Yasmine porte l'eau filtrée à ébullition quelques minutes. C'est la touche finale qui rend l'eau potable. Pour obtenir de l'eau vraiment pure (sans sels dissous), il faudrait aller plus loin et la distiller : faire partir la vapeur d'eau puis la condenser à part.
Conclusion.
Avec trois techniques simples — décantation, filtration, ébullition — Yasmine est passée d'une eau boueuse à une eau potable. Le choix de la technique dépend toujours de la nature du mélange : hétérogène (on décante, on filtre) ou homogène (on évapore, on distille). Tu réutiliseras tout cela dans Masse, volume et masse volumique, où la densité — celle qui fait flotter l'huile sur l'eau et tomber la terre au fond — sera mesurée pour de bon.
À retenir
Avant les exercices, voici les règles essentielles à mémoriser.
Un corps pur ne contient qu'une seule substance (eau distillée) ; un mélange en contient plusieurs (eau minérale, air, lait, eau du robinet).
Un mélange homogène a un aspect uniforme, ses constituants sont invisibles (eau salée, eau sucrée, air) ; un mélange hétérogène laisse distinguer ses constituants (eau + sable, eau + huile, jus avec pulpe). Homogène n'est pas synonyme de corps pur.
Deux liquides miscibles forment un mélange homogène (eau + sirop) ; non miscibles, ils forment des couches (eau + huile). Le liquide le moins dense se place au-dessus.
Dissoudre un soluté dans un solvant donne une solution (homogène). Au-delà d'une limite, la solution est saturée : le surplus ne se dissout plus. Lors d'une dissolution, la masse se conserve et le soluté ne disparaît pas.
Décantation et filtration séparent les mélanges hétérogènes ; pour séparer un mélange homogène (soluté dissous), il faut évaporer ou distiller — la filtration ne retient jamais ce qui est dissous.