La séparation des constituants d'un mélange

1. La filtration.

2. La décantation, à l'ampoule à décanter.

3. L'évaporation.

4. La distillation.

1. Le filtrat.

2. Le résidu.

3. L'entonnoir.

1. Faux. Le sel est dissous : il traverse le filtre avec l'eau.

2. Vrai. Le distillat est le solvant pur.

3. Vrai. Le plus dense descend, le moins dense monte.

4. Faux. L'évaporation récupère le soluté et laisse partir le solvant.

1. La taille des constituants.

2. La masse volumique.

3. L'attraction par un aimant.

4. La température d'ébullition.

1. L'eau, la plus dense.

2. L'eau.

3. Dès que la ligne de séparation entre les deux liquides atteint le robinet.

1. Le distillat, c'est-à-dire de l'eau pure.

2. Le sel, qui n'est pas volatil.

3. Non : le sel n'a pas suivi la vapeur.

1. Oui, le sable est retenu.

2. Non, le sel est dissous.

3. Oui, la craie est insoluble.

4. Non, le sucre est dissous.

1. En passant un aimant au-dessus du mélange.

2. L'attraction par un aimant, que seul le fer subit.

3. Non : ni le sel ni le sable ne sont attirés par un aimant.

« Après filtration, le liquide recueilli s'appelle le filtrat et ce qui reste sur le papier s'appelle le résidu. Après distillation, le liquide recueilli s'appelle le distillat. »

1. La terre se dépose au fond et l'eau du dessus s'éclaircit.

2. La décantation.

3. Non. Elle est plus claire, mais elle contient encore des particules fines et des microbes : c'est l'objet du chapitre sur le traitement des eaux.

1. Parce que le sel est dissous : ses particules sont infiniment plus petites que les pores du papier et passent avec l'eau.

2. Uniquement les constituants non dissous et assez gros : grains de sable, particules de terre, morceaux de craie.

3. L'évaporation pour récupérer le sel, ou la distillation pour récupérer l'eau pure.

1. La distillation : elle recueille le solvant liquide.

2. L'évaporation, plus simple et moins coûteuse.

3. Oui, avec la distillation : le distillat donne l'eau pure et le résidu resté dans le ballon donne le sel. L'évaporation, elle, perd l'eau, qui part en vapeur sans être recueillie.

1. Refroidir la vapeur qui vient du ballon.

2. Une liquéfaction : la vapeur repasse à l'état liquide.

3. La vapeur traverserait le réfrigérant sans se liquéfier et s'échapperait dans l'air : on ne recueillerait rien, ou très peu, dans l'éprouvette.

1. Une filtration : c'est la séparation la plus facile, et elle retire un constituant sans toucher aux autres.

2. Le résidu est le sable ; le filtrat est de l'eau salée limpide.

3. Par distillation si l'on veut l'eau pure et le sel, ou par évaporation si l'on ne veut que le sel.

1. L'alcool.

2. Parce qu'il est le plus volatil : sa température d'ébullition est la plus basse, donc il passe à l'état gazeux le premier.

3. Une température voisine de $78$ °C, qui reste à peu près stable tant que l'alcool passe, puis qui monte vers $100$ °C quand c'est au tour de l'eau. Le thermomètre indique donc ce qui est en train de distiller.

1. La décantation.

2. La crème, dont la masse volumique est plus faible que celle du reste du lait.

3. On pourrait, mais il faudrait des heures. La rotation rapide amplifie considérablement l'effet de la différence de masse volumique, et fait en quelques minutes ce que le repos ferait lentement.

1. Le papier filtre se place dans un entonnoir, lui-même posé sur un récipient. Au fond d'un bécher, il ne sépare rien.

2. Il faut verser lentement, le long d'une baguette de verre, pour éviter les éclaboussures et ne pas déchirer le papier.

3. Le résidu est le solide resté sur le papier ; le liquide recueilli est le filtrat. Les deux mots ont été intervertis.

1. Non. Elle fait tomber le sable et les grosses particules, mais la terre la plus fine reste en suspension : l'eau demeure légèrement trouble.

2. Une filtration, qui retient ces particules fines.

3. Non, elle est limpide mais pas pure : les sels dissous ont traversé le filtre. Il faudrait une distillation pour obtenir de l'eau pure.

1. L'évaporation.

2. Parce que l'évaporation se produit à la surface libre : plus la surface est grande, plus elle est rapide. Une faible profondeur augmente aussi le rapport de la surface au volume.

3. L'eau, qui part sous forme de vapeur sans être recueillie. Seul le sel est récupéré, et c'est bien ce que l'on cherche ici.

1. Que l'encre noire est un mélange de plusieurs colorants, et non un corps unique.

2. Parce que le solvant qui monte les entraîne à des vitesses différentes : celui qui est le plus entraîné monte le plus haut. C'est cette différence de comportement qui les sépare.

3. La chromatographie.

1. Le sable fin, dont les grains passent par les trous.

2. Les graviers, trop gros pour passer.

3. La taille des constituants, exactement comme la filtration. La seule différence tient à l'échelle : le tamis a des trous de quelques millimètres et sépare des solides entre eux, le papier filtre a des pores minuscules et sépare un solide d'un liquide.

1. La distillation.

2. $60$ g, par conservation de la masse : le sucre n'est ni volatil ni détruit, il reste intégralement dans le ballon.

3. Parce qu'elle laisse partir l'eau en vapeur sans la recueillir : on obtiendrait bien le sucre, mais on perdrait les $300$ mL d'eau. L'énoncé demande les deux constituants.

Étape 1, décantation à l'ampoule à décanter : on retire l'huile, qui surnage, et l'on recueille la phase aqueuse contenant le sable et le sel.

Étape 2, filtration : le sable est retenu sur le papier, c'est le résidu. Le filtrat est de l'eau salée limpide.

Étape 3, distillation du filtrat : le distillat est de l'eau pure, et le sel reste au fond du ballon.

2. L'ordre va du plus grossier au plus fin. Décanter d'abord évite de saturer le filtre d'huile ; filtrer ensuite évite d'introduire du sable dans le ballon de distillation, où il gênerait l'ébullition. Chaque étape prépare la suivante.

3. Le sel, parce qu'il est le seul à être dissous : aucune méthode mécanique ne l'atteint, et il faut faire changer l'eau d'état pour l'isoler. C'est aussi celui dont la récupération coûte le plus d'énergie.

1. $250-12=238$ g d'eau.

2. $250-200=50$ g, soit les $12$ g de sel plus $38$ g d'eau non encore distillée.

3. Non : il reste $38$ g d'eau dans le ballon. Une distillation complète aurait donné $238$ g de distillat.

4. $200$ g recueillis plus $50$ g restants font bien $250$ g : la masse est conservée, comme toujours en système clos.

1. Le thermomètre doit être au sommet du col, à hauteur du départ du tube : c'est là que passe la vapeur, donc c'est là que la température renseigne sur ce qui distille. Plongé dans le liquide, il indique la température du mélange bouillant, ce qui ne dit rien du produit recueilli.

2. Le refroidissement devient nettement moins efficace. À contre-courant, la vapeur rencontre de l'eau de plus en plus froide sur tout son trajet ; dans le même sens, l'eau se réchauffe en même temps que la vapeur refroidit, et l'écart s'annule avant la fin.

3. Le liquide risque de déborder par le col dès l'ébullition, et des projections passeraient directement dans le tube sans être vaporisées : le distillat serait alors contaminé par du sel. Un ballon se remplit à la moitié au plus.

4. Le distillat s'écoule et se perd. Toute l'opération est menée pour rien, et le montage a en plus fonctionné à l'air libre, ce qui n'est pas sans risque avec un liquide inflammable comme l'alcool.

1. La distillation, dans son principe : on récupère le solvant pur et on laisse le sel derrière.

2. Si l'eau douce produite représente la moitié de l'eau prélevée, on prélève $20000$ m${}^3$, soit $20000000$ L. La masse de sels vaut $35\times 20000000=700000000$ g, soit $700$ tonnes par jour.

3. Parce que les sels sont dissous : ils traverseraient n'importe quel papier filtre avec l'eau.

4. Parce qu'il faut faire changer l'eau d'état, donc lui fournir beaucoup de chaleur, et cette chaleur coûte de l'énergie. C'est la raison pour laquelle le dessalement n'est envisagé que là où l'eau douce manque, et pourquoi économiser l'eau reste toujours moins cher que d'en produire.

1. A se sépare par décantation, à l'ampoule à décanter. B se sépare par distillation.

2. Parce que B est un mélange homogène : il n'y a aucune couche à séparer, donc aucun robinet à ouvrir au bon moment. La décantation exige deux phases visibles, et B n'en a qu'une.

3. Oui, en principe. L'eau et l'huile ont des températures d'ébullition très différentes, donc une distillation les séparerait. Ce serait pourtant absurde : la décantation donne le même résultat en quelques minutes, sans chauffage ni matériel. On choisit toujours la méthode qui exploite la différence la plus facile à exploiter.

1. $58-2=56$ g de sable.

2. $340+56=396$ g, contre $400$ g au départ : il manque $4$ g. Aucune matière n'a disparu, mais un peu d'eau est restée imprégnée dans le papier filtre et sur les parois, et une petite quantité s'est évaporée pendant le séchage. Un bilan expérimental n'est jamais rigoureusement égal, et l'écart doit être expliqué plutôt que passé sous silence.

3. On ne peut pas le dire. Il est limpide, ce qui prouve seulement qu'il ne contient plus de solide en suspension. S'il y avait des sels dissous au départ, ils y sont toujours : il faudrait évaporer un échantillon pour le vérifier.

1. A, qui ne donne qu'une tache : aucun de ses constituants ne se sépare des autres dans ces conditions.

2. Les trois partagent le colorant bleu, identifié par des taches situées à la même hauteur. B et C partagent en plus le jaune.

3. Parce que la hauteur dépend de la vitesse à laquelle le solvant entraîne un colorant donné, et cette vitesse est propre au couple colorant et solvant. Dans des conditions identiques, un même colorant monte toujours à la même hauteur : c'est une signature.

4. Non, seulement qu'elle n'en contient pas deux qui se sépareraient dans ce solvant. Deux colorants entraînés à la même vitesse resteraient superposés. Changer de solvant, ou allonger la bande, pourrait révéler une séparation invisible ici. Une expérience négative n'établit jamais une absence, elle établit qu'on n'a rien détecté.

A : filtration. La pulpe n'est pas dissoute, elle est simplement en suspension : un filtre la retient et laisse passer le jus, qui est le filtrat.

B : distillation. Les sels sont dissous, donc ni la décantation ni la filtration n'y peuvent rien. Il faut faire changer l'eau d'état pour la séparer de ce qu'elle contient.

C : tamisage. Deux solides secs de tailles différentes : une grille dont les trous laissent passer les lentilles et retiennent le riz, ou l'inverse, sépare les deux en une seule opération.

D : décantation à l'ampoule à décanter. L'eau et l'essence ne sont pas miscibles et leurs masses volumiques diffèrent : l'essence surnage et l'on soutire l'eau par le robinet.

E : chromatographie. Ce n'est pas une séparation destinée à récupérer un produit, mais une analyse : on cherche à savoir de quoi le mélange est fait, et les taches étagées donnent la réponse.

Les cinq décisions reposent sur la même démarche : identifier une propriété par laquelle les constituants diffèrent, puis choisir la méthode qui l'exploite le plus simplement.