Les Sciences - programme de cinquième
Physique-chimie, sciences de la vie et de la Terre, technologie
Leçon 3 - Miscibilité et techniques de séparation
Décanter, filtrer, distiller : reprendre à un mélange ce qu’il a mélangé
Miscibilité et techniques de séparation
Verse de l’huile dans un verre d’eau : elle refuse de se mélanger et remonte aussitôt à la surface. Dans un second verre, ajoute du sirop : il disparaît dans la masse et colore le liquide tout entier. Deux liquides, deux comportements opposés. Ce cours part de cette observation de cuisine et la conduit jusqu’aux usines de potabilisation, puis jusqu’aux navires qui dessalent l’eau de mer. Séparer les constituants d’un mélange : voilà l’un des gestes les plus anciens et les plus utiles de toute la chimie.
🗺️ Le parcours
- Deux liquides dans un même récipient - miscibles ou non ?
- Laisser travailler la pesanteur - la décantation
- Retenir ce qui ne passe pas - la filtration
- Séparer par la chaleur - la distillation
- Choisir la bonne technique - du laboratoire au robinet
Le cours se termine par un quiz corrigé et un lexique.
Deux liquides dans un même récipient : miscibles ou non ?
Prépare une vinaigrette. Verse le vinaigre, puis l’huile. Bats énergiquement : pendant quelques secondes, le mélange devient trouble, uniforme, presque crémeux. Pose le bol sur la table, va chercher les assiettes, reviens. L’huile est remontée. Elle forme de nouveau une couche dorée au-dessus du vinaigre, comme si rien ne s’était passé.
Verse maintenant du sirop de menthe dans une carafe d’eau. Une simple cuillère y parvient : la teinte verte gagne toute la carafe et ne s’en va plus. Reviens dix minutes plus tard, une heure plus tard, le lendemain : la couleur demeure uniforme d’un bord à l’autre. Le sirop ne remonte pas, il ne redescend pas non plus.
Deux liquides versés dans un troisième, et deux destins opposés. Les chimistes ont un mot pour décrire cette différence.
📘 Définition : miscible et non miscible
Deux liquides sont dits miscibles lorsqu’ils forment, après mélange, un liquide unique, d’aspect uniforme : une seule teinte, une seule surface, plus de séparation visible. Ils constituent alors un mélange homogène.
Ils sont dits non miscibles lorsqu’ils se séparent d’eux-mêmes en couches superposées, appelées phases, séparées par une limite nette. Ils constituent alors un mélange hétérogène.
🧵 Fil rouge : où en sommes-nous ?
Le premier cours de l’année distinguait les mélanges homogènes des hétérogènes : dans les premiers, les constituants sont indiscernables, même à la loupe ; dans les seconds, ils restent visibles séparément. Le deuxième cours expliquait comment un solide se dissout dans l’eau jusqu’à saturation. Ce troisième cours pose la question suivante : une fois le mélange constitué, comment reprendre chaque constituant séparément ? Le vocabulaire de miscibilité, introduit ici, ouvre directement ce chantier.
Pourquoi l’huile se place-t-elle au-dessus ?
Voilà une question que peu de gens se posent, et dont la réponse mérite d’être exacte. Une formulation revient souvent : « l’huile est plus légère que l’eau ». Prise au pied de la lettre, cette phrase est fausse. Une bouteille de cinq litres d’huile pèse largement plus qu’un verre d’eau. La comparaison n’a de sens qu’à volume identique.
Comparons donc un litre d’eau et un litre d’huile. Le litre d’eau pèse environ mille grammes. Le litre d’huile en pèse environ neuf cent vingt. Pour un même volume, l’huile contient moins de matière. Les physiciens résument cette propriété par une grandeur unique.
📘 Définition : la masse volumique
La masse volumique d’une substance est la masse contenue dans un volume donné de celle-ci. Elle s’exprime couramment en grammes par centimètre cube (g/cm3) ou en kilogrammes par litre (kg/L) : ces deux unités donnent le même nombre.
Entre deux liquides non miscibles, celui dont la masse volumique est la plus faible se place au-dessus. Le cours no 4 reviendra en détail sur cette grandeur et sur sa mesure ; ici, elle sert d’explication, non d’objet d’étude.
| Liquide | Masse volumique (g/cm3) | Masse d’un litre | Comportement avec l’eau |
|---|---|---|---|
| Alcool à brûler (éthanol) | 0,79 | 790 g | miscible en toutes proportions |
| Huile alimentaire | environ 0,92 | environ 920 g | non miscible, se place au-dessus |
| Pétrole brut léger | 0,80 à 0,95 | 800 à 950 g | non miscible, se place au-dessus |
| Eau | 1,00 | 1 000 g | référence |
| Eau de mer | environ 1,03 | environ 1 030 g | miscible à l’eau douce |
Les valeurs de l’huile et du pétrole sont des ordres de grandeur : elles dépendent de la variété considérée. Celle de l’eau vaut 0,998 g/cm3 à 20 °C, arrondie ici à 1,00.
💡 Le savais-tu ? Certains pétroles coulent
L’image du pétrole flottant en nappe noire est si répandue qu’elle passe pour une loi. Elle vaut pour les bruts légers, dont la masse volumique reste inférieure à celle de l’eau. Mais les bruts les plus lourds, et certains fiouls résiduels, dépassent 1 000 kg par mètre cube : ils s’enfoncent au lieu de surnager, se déposent sur le fond et deviennent bien plus difficiles à récupérer. Les équipes de dépollution redoutent particulièrement ces cargaisons.
📜 Histoire vraie : une cuillerée d’huile sur un étang
Benjamin Franklin, imprimeur, diplomate et savant américain, avait lu chez les auteurs anciens la mention d’une pratique de marins : par gros temps, verser de l’huile à la mer pour apaiser les vagues. Il tint l’affaire pour une légende jusqu’au jour où il décida de vérifier lui-même.
Sur l’étang de Clapham, au sud de Londres, il versa l’équivalent d’une cuillère d’huile sur l’eau agitée par le vent. Son premier essai échoua : il avait choisi le mauvais bord, et le vent ramenait l’huile vers la rive. Il recommença du côté d’où soufflait le vent. Cette fois, l’huile s’étala à une vitesse qui le stupéfia, et une portion entière de l’étang devint lisse comme un miroir. Franklin relata l’observation dans une lettre de 1773.
Deux enseignements en découlent. Le premier tient à notre chapitre : l’huile, non miscible à l’eau, ne se disperse pas dans la masse ; elle reste en surface et s’y étend en une pellicule continue. Le second dépasse ce cours : la finesse de ce film, mesurée un siècle plus tard, a fourni l’une des premières estimations de la taille d’une molécule.
🔬 Expérience : la bouteille qui refait le tri
Cette manipulation demande cinq minutes et se pratique sans risque, dans une cuisine.
- Remplis d’eau une petite bouteille transparente jusqu’au tiers. Ajoute quelques gouttes de colorant alimentaire pour bien voir la limite.
- Verse par-dessus un tiers d’huile de tournesol. Observe sans rien agiter : deux couches se forment, séparées par une limite nette et rectiligne.
- Bouche la bouteille et secoue vigoureusement dix secondes. Le contenu devient trouble et laiteux : de minuscules gouttes d’huile sont dispersées dans l’eau.
- Repose la bouteille et déclenche un chronomètre. Note le temps au bout duquel la limite réapparaît nettement.
- Recommence en secouant deux fois plus longtemps. Le temps de séparation change-t-il ?
Ce que révèle l’étape 3 mérite attention : secouer ne rend pas les deux liquides miscibles. Le mélange trouble reste hétérogène, simplement divisé en gouttes trop petites pour être vues séparément. La pesanteur défait patiemment ce que le bras a fait brutalement.
📋 Récapitulatif du chapitre 1
- Deux liquides miscibles forment un liquide unique et uniforme : le mélange est homogène.
- Deux liquides non miscibles se séparent en phases superposées : le mélange est hétérogène.
- La masse volumique décide de l’ordre des couches : la plus faible se place au-dessus.
- Secouer disperse les liquides en fines gouttes sans les rendre miscibles ; la séparation revient au repos.
- Cette séparation spontanée est précisément ce que la technique du chapitre suivant met à profit.
Laisser travailler la pesanteur : la décantation
Remplis un bocal d’eau, jette une poignée de terre du jardin, remue. Le résultat est une eau brune, opaque, peu engageante. Pose le bocal sur une étagère et oublie-le jusqu’au lendemain. Au matin, le spectacle a changé du tout au tout : une couche de terre s’est rassemblée au fond, et au-dessus s’étend une eau redevenue presque claire.
Personne n’est intervenu. Nul appareil n’a fonctionné, nul produit n’a été ajouté. La séparation s’est faite pendant la nuit, gratuitement, sous l’effet d’une seule force : la pesanteur. Cette technique porte un nom, et c’est la plus économique de toutes.
📘 Définition : la décantation
La décantation consiste à laisser un mélange hétérogène au repos afin que ses constituants se séparent d’eux-mêmes sous l’effet de la pesanteur, puis à recueillir séparément les couches obtenues.
Le liquide clair qui demeure au-dessus porte le nom de surnageant ; la couche qui s’accumule au fond est le dépôt ou sédiment. Le verbe associé est décanter.
La décantation traite deux situations distinctes, que le chapitre précédent permet désormais de nommer. Premier cas : deux liquides non miscibles, comme l’eau et l’huile, qui se rangent en couches selon leur masse volumique. Second cas : un solide insoluble en suspension dans un liquide, comme la terre dans l’eau, qui tombe lentement vers le fond.
L’outil du laboratoire : l’ampoule à décanter
Le bocal de tout à l’heure fonctionne, mais il pose un problème pratique : pour récupérer la couche inférieure, il faudrait verser la couche supérieure d’abord, et les deux se remélangeraient en chemin. Les chimistes ont résolu cette difficulté par un récipient astucieux, dont la sortie se trouve en bas.
L’ampoule à décanter est un récipient de verre en forme de poire, muni d’un bouchon au sommet et d’un robinet à la base. Le mélange y repose le temps nécessaire. Puis le robinet s’ouvre : la couche du bas s’écoule la première. Il se referme dès que la limite entre les deux phases arrive à son niveau, et chaque liquide finit dans son propre flacon.
💡 Le savais-tu ? Faire tomber la crème plus vite
Le lait fraîchement trait décante lui aussi : la crème, dont la masse volumique est plus faible, remonte en quelques heures et forme une couche jaune pâle à la surface. Les fermières ont écrémé ainsi pendant des siècles, en écumant le dessus des bassines.
En 1878, l’ingénieur suédois Gustaf de Laval fit breveter, avec son associé Oscar Lamm, une écrémeuse centrifuge : un tambour tournant à grande vitesse qui projette le lait vers la paroi et laisse la crème, moins dense, se rassembler vers l’axe. Ce que la pesanteur accomplissait en une nuit, la machine l’obtenait en quelques instants. De Laval s’appuyait sur des travaux antérieurs, notamment ceux de l’Allemand Wilhelm Lefeldt ; son mérite fut de rendre l’appareil fiable et de le répandre dans les fermes.
La centrifugation n’est donc rien d’autre qu’une décantation accélérée. Le même principe sépare aujourd’hui les composants du sang dans les laboratoires d’analyses médicales.
📜 Histoire vraie : la nuit du 16 mars 1978
Ce jeudi-là, au large du Finistère, le pétrolier Amoco Cadiz subit une avarie de son appareil à gouverner. Trois cent trente mètres de coque partent à la dérive, chargés de 223 000 tonnes de pétrole brut et de 4 000 tonnes de fioul lourd. Les négociations de remorquage s’éternisent. À vingt-deux heures, le navire s’échoue sur les roches de Portsall.
La cargaison entière se déverse. Selon les évaluations, 300 à 360 kilomètres de côtes bretonnes sont souillés. Les secours déploient des barrages flottants, longues bouées reliées par une jupe immergée : puisque le pétrole reste en surface au lieu de se mélanger à l’eau, un obstacle flottant devrait le contenir et permettre de le pomper.
Le principe physique est juste. Sur la mer de mars, il ne tient pas. La houle passe par-dessus les barrages, les vagues fractionnent la nappe, le vent la pousse vers la côte plus vite que les moyens ne se mettent en place. Le nettoyage se fera à la pelle et au seau, sur les plages, pendant des mois.
La leçon vaut d’être retenue : connaître le bon principe ne garantit pas de pouvoir l’appliquer. Une technique de séparation suppose des conditions, et la mer démontée n’en fait pas partie.
🔬 Expérience : mesurer la patience de la décantation
- Prépare trois bocaux transparents identiques, remplis d’eau aux deux tiers.
- Dans le premier, verse une cuillère de gros sable ; dans le deuxième, une cuillère de terre fine tamisée ; dans le troisième, une cuillère de farine.
- Remue chaque bocal de la même façon, puis pose-les côte à côte et déclenche un chronomètre.
- Relève l’aspect de chaque bocal au bout d’une minute, de dix minutes, d’une heure, puis le lendemain.
Le sable tombe presque immédiatement. La terre fine demande de longues minutes. La farine, elle, laisse une eau blanchâtre qui ne s’éclaircit qu’après des heures, et parfois pas tout à fait. Le résultat se comprend : plus une particule est petite, plus elle tombe lentement. Pour les plus fines d’entre elles, la décantation devient trop lente pour être utilisable. Il faudra autre chose : ce sera le chapitre 3.
| Situation | Ce qui se sépare | Durée d’attente |
|---|---|---|
| Vinaigrette au repos | huile au-dessus, vinaigre en dessous | quelques minutes |
| Eau boueuse d’une rivière en crue | limons au fond, eau claire au-dessus | plusieurs heures |
| Bassin d’une usine d’eau potable | flocons au fond, eau clarifiée au-dessus | une à deux heures |
| Nappe de pétrole en mer calme | pétrole en surface, retenu par un barrage | séparation immédiate |
| Sang dans une centrifugeuse | cellules au fond, plasma au-dessus | quelques minutes |
📋 Récapitulatif du chapitre 2
- La décantation laisse la pesanteur séparer un mélange hétérogène, sans appareil ni produit ajouté.
- Elle traite aussi bien deux liquides non miscibles qu’un solide insoluble en suspension.
- L’ampoule à décanter possède un robinet en bas, ce qui permet de soutirer la couche inférieure sans remélanger.
- La centrifugation accélère le même phénomène en remplaçant la pesanteur par la rotation rapide.
- Sa limite est nette : plus les particules sont fines, plus l’attente s’allonge, au point de rendre la technique inutilisable.
Retenir ce qui ne passe pas : la filtration
Chaque matin, dans des millions de cuisines, se déroule une opération de chimie que personne ne songe à nommer ainsi. De l’eau bouillante traverse une poudre brune posée dans un cône de papier. En dessous, la carafe se remplit d’un liquide sombre et limpide. Au-dessus, le marc reste prisonnier du papier. Une machine à café est un appareil de filtration.
Le chapitre précédent s’est achevé sur une impasse : les particules les plus fines mettent des heures à se déposer, quand elles se déposent. Plutôt que d’attendre qu’elles tombent, une autre stratégie consiste à leur barrer la route.
📘 Définition : la filtration
La filtration sépare un solide insoluble d’un liquide en faisant passer le mélange à travers une paroi percée de trous minuscules, appelée filtre.
Le liquide qui traverse le filtre porte le nom de filtrat ; le solide retenu s’appelle le résidu. Le principe repose sur une comparaison de tailles : ce qui est plus gros que les trous demeure au-dessus, ce qui est plus petit poursuit sa route.
L’erreur la plus fréquente
Voici une question que les professeurs de physique-chimie posent chaque année, et qui déroute régulièrement une bonne partie de la classe. Prends de l’eau salée, trouble parce que du sable y a été jeté. Fais-la passer à travers un filtre à café. Le sable reste sur le papier, l’eau qui coule est limpide. Cette eau est-elle encore salée ?
La réponse est oui : cette eau est aussi salée qu’avant. Rien n’a retiré le sel. Le filtre a retenu le sable parce que ses grains sont des morceaux solides, bien plus gros que les trous du papier. Le sel, lui, n’est plus à l’état de grains : il s’est dissous, dispersé dans l’eau à une échelle si petite qu’un papier ordinaire ne saurait l’arrêter. Il traverse avec l’eau, sans même ralentir.
⚖️ Prudence : limpide ne signifie pas pur
Une eau tout à fait transparente peut contenir du sel, du sucre, des nitrates, des métaux dissous. La transparence renseigne sur ce qui est en suspension, non sur ce qui est dissous. C’est la raison pour laquelle une usine d’eau potable ne s’arrête pas à la filtration : elle poursuit avec d’autres traitements que le chapitre 5 détaillera.
Retiens la règle : la filtration retire ce qui est en suspension, elle ne retire pas ce qui est dissous.
🔬 Expérience : la preuve par le goût
Cette manipulation se pratique avec du sel de cuisine et de l’eau potable, sans danger.
- Dissous une cuillère à café de sel dans un verre d’eau. Remue jusqu’à disparition des grains.
- Ajoute une cuillère de sable propre et remue de nouveau : l’eau devient trouble.
- Prépare un entonnoir garni d’un filtre à café, posé sur un verre propre.
- Verse doucement le mélange dans le filtre et laisse couler.
- Observe le papier : le sable y demeure. Observe le verre : l’eau y est limpide.
- Recueille une goutte de filtrat sur le bout du doigt et porte-la à tes lèvres.
Le goût salé demeure entier. Ce que l’œil ne voit plus, la langue le détecte encore. Voilà qui démontre que le regard, à lui seul, renseigne mal sur la composition d’un liquide.
💡 Le savais-tu ? Le sable filtre mieux que le papier
Un filtre à café retient des grains de quelques centièmes de millimètre. Pour descendre plus bas, les usines emploient des cuves remplies de sable fin, traversées lentement par l’eau. Les particules restent piégées dans les interstices, et une pellicule vivante de micro-organismes se développe à la surface du lit, retenant au passage une partie des microbes.
Plus fin encore, le charbon actif fonctionne autrement : sa surface interne, immense, retient certaines molécules dissoutes qui viennent s’y accrocher. Ce procédé porte le nom d’adsorption. Il ne relève plus de la filtration au sens strict, mais il traite justement ce que celle-ci laisse passer.
📜 Histoire vraie : Londres, 14 janvier 1829
Au début du XIXe siècle, la Tamise sert à la fois d’égout et de source d’eau potable pour Londres. L’eau distribuée aux habitants est trouble, colorée, chargée de matières que chacun voit à l’œil nu. En 1827, le député Francis Burdett dépose devant le Parlement une pétition dénonçant l’état de cette eau.
La Chelsea Waterworks Company charge son ingénieur, James Simpson, de trouver une solution. Après plus d’un an d’essais, il fait construire un immense bassin garni de lits successifs de brique, de gravier et de sable, d’une surface d’environ un demi-hectare. L’eau de la Tamise le traverse lentement. Le 14 janvier 1829, l’installation entre en service : c’est le premier traitement systématique d’une eau destinée à toute une population.
Une précision d’honnêteté s’impose ici. Simpson cherchait à obtenir une eau claire, non à combattre une maladie : le lien entre eau souillée et choléra ne sera établi qu’en 1854 par John Snow, et le microbe responsable identifié qu’en 1883. Le filtre à sable a sauvé d’innombrables vies avant que quiconque comprenne pourquoi.
| Filtre | Retient | Laisse passer |
|---|---|---|
| Passoire de cuisine | pâtes, gros morceaux | eau, semoule, tout le reste |
| Filtre à café en papier | marc, sable, terre | eau, arômes et sels dissous |
| Lit de sable d’une usine | particules très fines, une partie des microbes | substances dissoutes |
| Membrane d’osmose inverse | presque tout, y compris le sel dissous | l’eau, pour l’essentiel |
La dernière ligne dépasse le cadre de ce chapitre : elle sera reprise à la fin du cours.
📋 Récapitulatif du chapitre 3
- La filtration sépare un solide insoluble d’un liquide au moyen d’une paroi percée de trous minuscules.
- Le liquide recueilli est le filtrat, le solide retenu le résidu.
- Elle agit sur ce qui est en suspension, et laisse passer tout ce qui est dissous.
- Une eau limpide n’est pas pour autant une eau pure : la transparence ne renseigne que sur les particules visibles.
- Pour retirer une substance dissoute, il faut changer de méthode : c’est l’objet du chapitre 4.
Séparer par la chaleur : la distillation
Un naufragé sur un radeau est entouré d’eau à perte de vue, et il meurt de soif. Le paradoxe est cruel : l’eau de mer contient environ 35 grammes de sel par litre, assez pour que la boire aggrave la déshydratation au lieu de la soulager. Le sel est dissous ; la filtration ne le retirera pas. La décantation ne le retirera pas davantage, puisqu’il ne se dépose pas.
Pourtant, une solution existe, et elle est connue depuis l’Antiquité. Elle consiste à ne plus chercher à retenir le sel, mais à faire partir l’eau sans lui.
📘 Définition : la distillation
La distillation sépare les constituants d’un mélange homogène en exploitant leurs températures d’ébullition différentes. L’ensemble est chauffé : le constituant qui bout le premier s’échappe à l’état de vapeur, laquelle est ensuite refroidie et redevient liquide.
Le liquide recueilli après refroidissement porte le nom de distillat. Le passage du liquide à la vapeur est la vaporisation ; le retour de la vapeur à l’état liquide est la condensation.
Appliquons cela à l’eau salée. Sous la pression atmosphérique habituelle, l’eau bout aux alentours de 100 °C. Le sel, lui, ne passe à l’état de vapeur qu’au-delà de 1 400 °C : à la température d’ébullition de l’eau, il demeure dans le liquide. La vapeur qui s’élève du ballon est donc de l’eau, et de l’eau seule. Refroidie, elle donne une eau douce. Le sel demeure au fond du récipient, de plus en plus concentré à mesure que l’eau s’en va.
Deux précisions qui comptent
La première concerne la température. La valeur de 100 °C n’est pas une propriété absolue de l’eau : elle dépend de la pression de l’air. Au sommet du mont Blanc, à près de 4 800 mètres, la pression est réduite de moitié et l’eau bout aux alentours de 85 °C. Les alpinistes le savent : leurs pâtes y cuisent mal, faute d’une eau assez chaude.
La seconde concerne le sel lui-même. Une eau salée ne bout pas à la même température qu’une eau pure : elle bout légèrement au-dessus de 100 °C, parce que le sel dissous retient les molécules d’eau et retarde leur départ. L’écart reste faible pour une eau de mer, mais il est réel, et un thermomètre soigneux le détecte.
💡 Le savais-tu ? Un mot venu de trois langues
L’appareil qui sert à distiller s’appelle un alambic. Ce mot a voyagé. Les savants grecs d’Alexandrie nommaient ambix le vase supérieur de leur montage. Les savants de langue arabe reprirent le terme en lui ajoutant l’article : al-anbiq. Le latin médiéval puis le français en firent « alambic ».
Le mot « alcool » a suivi un chemin comparable, depuis l’arabe al-kuhl. Ces deux mots rappellent que la chimie européenne s’est construite sur un savoir transmis, traduit et enrichi pendant des siècles par les savants du monde arabe.
📜 Histoire vraie : de l’étonnement d’Aristote aux usines du désert
Au IVe siècle av. J.-C., Aristote note dans ses Météorologiques une observation qui paraît anodine : la vapeur qui s’élève de l’eau de mer, une fois refroidie, redonne de l’eau douce. Le principe de la distillation est là, énoncé plus de deux mille trois cents ans avant la première usine de dessalement.
Vers 300 apr. J.-C., l’alchimiste Zosime, originaire de Panopolis en Égypte, décrit avec précision un appareil de distillation muni d’un chapiteau surélevé et d’un long tube d’évacuation. Ses manuscrits, connus surtout par des copies et des traductions ultérieures, constituent la plus ancienne description détaillée qui nous soit parvenue. Pendant les siècles suivants, l’alambic servit d’abord aux parfumeurs et aux apothicaires, pour extraire des essences de fleurs.
Aujourd’hui, environ vingt mille installations de dessalement fonctionnent dans le monde, selon les recensements disponibles. En Arabie saoudite, près de sept dixièmes de l’eau potable proviennent de la mer. Une part de ces usines emploie encore la distillation, en chauffant l’eau de mer sous pression réduite pour la faire bouillir à basse température et économiser de l’énergie.
🔬 Expérience : distiller sans matériel de laboratoire
Cette manipulation met en jeu de l’eau bouillante : la présence d’un adulte est indispensable, et tu te tiens à distance de la casserole.
- Dissous deux cuillères de sel dans un demi-litre d’eau et verse le tout dans une casserole.
- Pose au centre de la casserole un petit bol vide et stable, sans qu’il touche l’eau.
- Couvre la casserole avec son couvercle retourné, partie creuse vers le haut.
- Dépose quelques glaçons dans le creux du couvercle : sa face inférieure devient froide.
- Porte à ébullition douce pendant une dizaine de minutes, puis coupe le feu et laisse refroidir.
- Une fois l’ensemble tiède, l’adulte retire le couvercle et sort le bol. Goûte le liquide qui s’y est rassemblé.
Le liquide recueilli dans le bol n’est plus salé : la vapeur s’est condensée sur le couvercle froid, a glissé vers le centre et est retombée goutte à goutte. Le sel, lui, est resté dans la casserole. Le montage est rudimentaire, le principe est celui des plus grandes usines de dessalement.
| Substance | Température d’ébullition | Conséquence pour la distillation |
|---|---|---|
| Éthanol (alcool) | environ 78 °C | part avant l’eau dans un mélange |
| Eau pure | 100 °C | référence |
| Eau salée à 35 g/L | un peu au-dessus de 100 °C | seule l’eau se vaporise, le sel demeure |
| Sel de cuisine | au-delà de 1 400 °C | reste au fond du récipient |
Le sel de cuisine fond vers 800 °C avant de bouillir bien plus haut : dans les deux cas, ces températures sont hors d’atteinte d’une distillation ordinaire.
📋 Récapitulatif du chapitre 4
- La distillation sépare les constituants d’un mélange homogène par leurs températures d’ébullition différentes.
- Elle enchaîne deux changements d’état : vaporisation par chauffage, puis condensation par refroidissement.
- Le liquide recueilli est le distillat ; ce qui ne se vaporise pas demeure dans le récipient chauffé.
- La température d’ébullition de l’eau dépend de la pression : 100 °C au niveau de la mer, aux alentours de 85 °C au sommet du mont Blanc.
- Des trois techniques vues jusqu’ici, elle est la seule à séparer une substance dissoute de son solvant.
Choisir la bonne technique : du laboratoire au robinet
Trois techniques ont été présentées, chacune avec son principe et ses limites. Reste la question qui se pose réellement devant un mélange inconnu : par laquelle commencer ? Un chimiste ne tire pas au sort. Il observe d’abord le mélange, puis raisonne en deux temps.
Avant de dresser cette méthode, une quatrième technique doit être nommée, car elle apparaîtra dans le schéma qui suit.
📘 Définition : l’évaporation
L’évaporation consiste à laisser partir le liquide d’une solution, par chauffage doux ou à l’air libre, afin de récupérer le solide qui y était dissous.
Elle ressemble à la distillation par son mécanisme, mais elle en diffère par son but et par son montage : la vapeur n’est ni recueillie ni condensée, elle se perd dans l’air. Ce qui intéresse ici, c’est le dépôt qui demeure au fond. Distiller vise à obtenir le liquide ; évaporer vise à obtenir le solide.
La méthode en deux questions
La première question porte sur l’apparence : le mélange est-il homogène ou hétérogène ? Autrement dit, ses constituants se distinguent-ils, à l’œil ou à la loupe ? La seconde question dépend de la réponse à la première, et porte sur ce que le chimiste cherche à récupérer. Le schéma ci-dessous récapitule ce cheminement.
| Technique | S’applique à | Ce qui est récupéré | Énergie nécessaire |
|---|---|---|---|
| Décantation | mélange hétérogène : deux liquides non miscibles, ou un solide en suspension | les deux constituants, séparément | nulle |
| Filtration | mélange hétérogène : un solide insoluble dans un liquide | le filtrat et le résidu | nulle ou faible |
| Évaporation | mélange homogène : une solution | le solide dissous ; le liquide est perdu | modérée |
| Distillation | mélange homogène : une solution ou deux liquides miscibles | le liquide purifié ; le reste demeure au fond | importante |
Le voyage de l’eau du robinet
Les techniques de ce cours ne s’emploient pas isolément. Dans une usine de production d’eau potable, elles s’enchaînent, chacune traitant ce que la précédente a laissé. Voici ce que traverse l’eau d’une rivière avant d’arriver au robinet d’une cuisine.
Elle rencontre d’abord des grilles aux barreaux espacés de quelques centimètres, qui arrêtent les branches, les feuilles et les déchets flottants : c’est le dégrillage. Des tamis plus serrés retiennent ensuite les débris de moindre taille. Ces deux étapes sont des filtrations grossières.
Viennent les particules trop fines pour se déposer seules, celles qui rendent l’eau trouble. Un produit coagulant est alors ajouté : les particules s’agglomèrent en flocons visibles, assez lourds pour tomber. L’eau gagne un grand bassin où elle circule très lentement, et les flocons se rassemblent au fond sous forme de boues. Cette étape est une décantation, améliorée par un réactif qui rend possible ce que l’attente seule n’obtenait pas.
L’eau clarifiée traverse ensuite un lit de sable : filtration fine, qui retient ce que le bassin a laissé passer. Puis elle est désinfectée, généralement par l’ozone, et traverse du charbon actif qui retient certaines molécules dissoutes. Une petite quantité de chlore est enfin ajoutée : elle protège l’eau pendant tout son trajet dans les canalisations.
Ce parcours appelle une remarque. La distillation n’y figure pas. Chauffer chaque jour des millions de mètres cubes coûterait une énergie considérable, hors de proportion avec le service rendu, puisque l’eau d’une rivière est déjà douce. La distillation reste réservée aux cas où le sel doit partir : la mer.
💡 Le savais-tu ? Filtrer une molécule
Le chapitre 3 posait une règle : la filtration ne retire pas ce qui est dissous. Cette règle vaut pour les filtres ordinaires. À la fin des années 1950, deux chercheurs de l’université de Californie à Los Angeles, Sidney Loeb et Srinivasa Sourirajan, mirent au point une membrane d’acétate de cellulose aux pores si fins qu’ils arrêtent le sel dissous et laissent passer l’eau. Il fallut soumettre l’eau à une forte pression pour forcer le passage : le procédé prit le nom d’osmose inverse. Une installation à grande échelle fonctionna dès 1965 à Coalinga, en Californie.
L’osmose inverse consomme moins d’énergie que la distillation et équipe désormais la majorité des usines de dessalement. La règle du chapitre 3 demeure exacte pour un filtre à café ; la technique a simplement franchi une échelle que le papier ne pouvait atteindre.
📜 Histoire vraie : mille ans de patience à Guérande
Sur la presqu’île guérandaise, en Loire-Atlantique, s’étendent près de deux mille hectares de bassins d’argile alignés au cordeau. L’exploitation du sel y est ancienne ; les datations varient selon les sources, mais les historiens s’accordent pour attribuer aux moines de l’abbaye de Landévennec, autour du IXe siècle, le dessin de l’architecture hydraulique encore en usage aujourd’hui.
Ce dessin est une leçon de chimie appliquée. L’eau de mer entre par des chenaux appelés étiers et se stocke dans une vasière, bassin profond d’une trentaine de centimètres où les matières en suspension se déposent : une décantation, au sens exact du chapitre 2. L’eau clarifiée gagne ensuite une succession de bassins de moins en moins profonds, séparés par des dénivelés de l’ordre du centimètre. Elle y circule par la seule gravité, sans pompe, guidée par des trappes que le paludier, l’ouvrier des marais salants, ouvre et ferme selon le temps qu’il fait.
À chaque bassin, une part de l’eau s’évapore sous l’action du soleil et du vent, et la concentration en sel s’élève. Dans les derniers bassins, les œillets, la couche d’eau n’a plus que quelques centimètres et la solution atteint la saturation étudiée dans le cours précédent : le sel ne peut plus rester dissous et cristallise. Le paludier le rassemble à la main, avec un long râteau de bois.
Rien n’a été ajouté, rien n’a été chauffé. Décantation puis évaporation, enchaînées sur des kilomètres de bassins et sur plusieurs mois. Les techniques de ce cours ne datent pas du laboratoire : elles ont d’abord été inventées par des gens qui devaient vivre de leur travail.
🔬 Expérience : un marais salant sur le rebord de la fenêtre
- Dissous trois cuillères à soupe de sel dans un verre d’eau tiède, jusqu’à ce que les grains disparaissent.
- Verse la solution dans une assiette plate, en couche mince.
- Pose l’assiette sur un rebord ensoleillé, sans la couvrir.
- Observe chaque jour pendant une semaine, sans y toucher.
L’eau disparaît progressivement dans l’air de la pièce, et le sel réapparaît sous forme de petits cristaux blancs au fond de l’assiette. Voilà une évaporation menée par le soleil et le vent, comme dans les marais salants de Guérande ou de Camargue. Le sel n’a pas été détruit par la dissolution : il attendait simplement que l’eau s’en aille.
🧵 Fil rouge : ce que trois cours ont construit
Le premier cours apprenait à reconnaître un mélange et à le classer. Le deuxième expliquait comment un solide se dissout, et jusqu’à quelle limite. Ce troisième cours ferme la boucle : un mélange, une fois formé, peut être défait, à condition de choisir l’outil adapté à sa nature.
Une idée traverse ces trois cours et mérite d’être retenue : mélanger ne détruit rien. Le sable jeté dans l’eau reste du sable, le sel dissous reste du sel, l’huile versée reste de l’huile. Toute la matière est encore là, et c’est précisément ce qui rend la séparation possible.
📋 Récapitulatif du chapitre 5
- Le choix d’une technique découle de deux questions : le mélange est-il homogène ou hétérogène, et que faut-il récupérer ?
- L’évaporation récupère le solide dissous en laissant partir le liquide ; la distillation récupère le liquide en condensant sa vapeur.
- Une usine d’eau potable enchaîne dégrillage, décantation aidée d’un coagulant, filtration sur sable, puis désinfection.
- La distillation reste réservée au dessalement, car elle demande beaucoup d’énergie.
- L’osmose inverse repousse la limite de la filtration jusqu’à retenir le sel dissous, au prix d’une forte pression.
Quiz final
Réponds d’abord sans regarder le cours, puis vérifie tes réponses au corrigé. Les questions 8 à 10 demandent un raisonnement : prends le temps de rédiger une phrase complète.
Corrigé
- Ils sont miscibles : le mélange obtenu est homogène.
- L’huile se place au-dessus, car sa masse volumique est plus faible que celle de l’eau.
- Le surnageant. La couche accumulée au fond est le dépôt, ou sédiment.
- Le liquide recueilli est le filtrat, le solide retenu est le résidu.
- La vaporisation par chauffage, puis la condensation par refroidissement de la vapeur.
- À 100 °C. Cette valeur diminue avec l’altitude, car la pression de l’air y est plus faible : aux alentours de 85 °C au sommet du mont Blanc.
- L’évaporation : le liquide part dans l’air et le solide dissous demeure au fond sous forme de cristaux.
- Oui, elle est encore salée. Le filtre retient ce qui est en suspension ; le sel, étant dissous, traverse le papier avec l’eau.
- D’abord la décantation pour retirer l’huile, qui surnage et se soutire à l’ampoule à décanter. Ensuite la filtration de l’eau restante pour retenir le sable. Filtrer en premier ne réglerait rien pour l’huile : la filtration retient les solides insolubles, et l’huile, liquide, traverserait le papier avec l’eau.
- Le principe est juste : le pétrole brut léger, moins dense que l’eau de mer, reste en surface et peut être contenu par un obstacle flottant. Mais une mer agitée fait passer la houle par-dessus le barrage, fractionne la nappe et la disperse plus vite que les moyens ne se déploient. Le principe ne fait pas tout : les conditions doivent le permettre.
Lexique
- Miscible
- Se dit de deux liquides qui forment, après mélange, un liquide unique et uniforme. L’eau et l’alcool sont miscibles.
- Non miscible
- Se dit de deux liquides qui se séparent d’eux-mêmes en couches superposées. L’eau et l’huile ne sont pas miscibles.
- Phase
- Chacune des couches distinctes d’un mélange hétérogène. L’eau et l’huile réunies forment deux phases.
- Masse volumique
- Masse contenue dans un volume donné d’une substance, exprimée en g/cm3 ou en kg/L. Elle détermine l’ordre des couches entre deux liquides non miscibles.
- Décantation
- Séparation d’un mélange hétérogène obtenue en le laissant reposer, sous l’effet de la pesanteur seule.
- Surnageant
- Liquide clair qui demeure au-dessus après une décantation. Ce qui s’accumule au fond est le dépôt, ou sédiment.
- Ampoule à décanter
- Récipient de verre en forme de poire, muni d’un robinet à sa base, qui permet de soutirer la couche inférieure d’un mélange sans remélanger les phases.
- Centrifugation
- Décantation accélérée par une rotation rapide, qui remplace l’action de la pesanteur.
- Filtration
- Séparation d’un solide insoluble et d’un liquide, obtenue en faisant traverser au mélange une paroi percée de trous minuscules.
- Filtrat
- Liquide recueilli après le passage à travers un filtre.
- Résidu
- Solide retenu par le filtre lors d’une filtration.
- Distillation
- Séparation des constituants d’un mélange homogène par leurs températures d’ébullition différentes, en vaporisant puis en condensant.
- Vaporisation
- Passage d’un liquide à l’état de vapeur.
- Condensation
- Passage d’une vapeur à l’état liquide, obtenu par refroidissement.
- Distillat
- Liquide recueilli à la sortie d’un montage de distillation, après condensation de la vapeur.
- Évaporation
- Départ du liquide d’une solution, à l’air libre ou par chauffage doux, afin de récupérer le solide qui y était dissous.
- Osmose inverse
- Procédé qui force l’eau à traverser une membrane sous forte pression, en y retenant le sel dissous. Il équipe la majorité des usines de dessalement actuelles.
Les masses volumiques et les températures indiquées sont des valeurs usuelles, arrondies ; elles varient légèrement selon les substances considérées et les conditions de mesure.