Les mélanges et la séparation des constituants

Un mélange contient plusieurs constituants, c'est-à-dire plusieurs substances réunies. On peut mélanger des solides, des liquides ou des gaz. L'air est ainsi un mélange de gaz. Pour commencer une étude, on décrit ce que l'on observe sans goûter ni sentir directement les produits. Au laboratoire, un liquide transparent n'est jamais supposé potable.

Un mélange est hétérogène quand on distingue plusieurs constituants à l'œil nu. Dans de l'eau et du sable, les grains sont visibles. Un mélange est homogène quand on ne distingue pas ses différents constituants à l'œil nu. Après dissolution complète d'une petite quantité de sel dans de l'eau, on ne voit plus les grains. Cela ne signifie ni que le sel a disparu ni que l'on a obtenu une substance pure.

La description dépend des conditions d'observation. On précise donc ce qui est mélangé et ce que l'on voit après agitation puis repos. Une couleur uniforme n'est pas une preuve de pureté. Une eau salée limpide reste un mélange. Le vocabulaire « transparent », « homogène » et « pur » ne désigne pas la même chose : transparent signifie que la lumière traverse suffisamment pour voir à travers, homogène concerne l'aspect du mélange, pur concerne sa composition.

Lors d'une dissolution, un soluté se répartit dans un solvant et forme une solution. Dans une eau salée, le sel est le soluté et l'eau est le solvant. Une petite quantité de sucre peut aussi se dissoudre dans l'eau. Le solide n'a pas fondu : on peut dissoudre du sucre à température ambiante sans lui faire subir une fusion. Les mots doivent décrire le phénomène réellement observé.

Tous les solides ne sont pas solubles dans l'eau. Le sable, dans les conditions habituelles de l'expérience, reste visible et ne forme pas une solution comme le sel. Pour comparer, on utilise des récipients identiques, la même quantité d'eau et la même température. On agite de façon comparable, puis on observe. Une agitation peut accélérer la dissolution ; elle ne permet pas de dissoudre sans limite une quantité quelconque de sel.

Si on ajoute trop de sel à une quantité d'eau donnée, une partie reste solide : la solution est saturée dans ces conditions. Pour les liquides, on utilise le mot miscible. Deux liquides miscibles forment un mélange homogène après mélange, comme l'eau et l'éthanol. L'eau et l'huile ne sont pas miscibles : après repos, elles forment deux couches. Une agitation peut disperser temporairement de petites gouttes sans rendre les deux liquides miscibles.

Séparer un mélange demande de choisir une propriété utile. Si des grains de sable assez gros se déposent dans l'eau au repos, on peut laisser décanter. La décantation utilise la séparation progressive de parties du mélange. Le solide déposé au fond est appelé dépôt. On peut ensuite verser doucement une partie du liquide clair sans entraîner le dépôt. Il faut attendre suffisamment et éviter de secouer le récipient.

La filtration permet de retenir des particules solides insolubles avec un filtre. On place le papier filtre correctement dans un entonnoir et on verse doucement le mélange. Le solide retenu est le résidu. Le liquide qui traverse est le filtrat. Un filtre ordinaire à papier n'arrête pas le sel dissous : celui-ci passe avec l'eau. Il ne suffit donc pas de dire « je filtre » pour séparer n'importe quels constituants.

L'eau et l'huile peuvent également se séparer en couches après repos. Une ampoule à décanter permet de recueillir séparément ces liquides non miscibles au laboratoire, sous la conduite de l'enseignant. Ce choix n'est pas le même que celui d'un filtre à papier pour du sable. Enfin, une eau filtrée n'est pas forcément potable. Certains constituants dissous et des micro-organismes peuvent rester ; la limpidité ne prouve pas l'absence de danger.

Pour récupérer plusieurs constituants, il faut parfois enchaîner les méthodes. Imaginons un mélange d'eau, de sel dissous et de sable. Une filtration retient le sable tandis que l'eau salée traverse. Une évaporation de l'eau du filtrat permet ensuite de récupérer le sel solide. L'eau passe dans l'air sous forme de vapeur invisible ; elle n'est pas détruite. Sans dispositif pour recueillir puis liquéfier cette vapeur, on ne récupère pas l'eau liquide.

L'évaporation et la filtration ne rendent donc pas le même service. On choisit selon le constituant que l'on veut récupérer. Si l'objectif est seulement de recueillir le sable, une filtration suffit dans cet exemple. Si l'on veut aussi le sel, il faut une autre étape. Le séchage peut se faire lentement sans chauffage ; tout chauffage éventuel est décidé et surveillé par l'enseignant. On ne goûte jamais le résidu obtenu.

La masse totale se conserve pendant une dissolution si rien n'entre ni ne sort du système. Dans une situation pédagogique, 100 g d'eau mélangés à 5 g de sel donnent 105 g de solution si tout le sel se dissout et si l'on ne perd rien. On compte la masse de tous les constituants, même ceux qu'on ne voit plus. En revanche, on ne doit pas additionner les volumes comme si leur conservation était une règle générale. Les mesures de masse demandent une balance, la même convention de pesée et l'absence de pertes sur la cuillère ou la table.