Objectifs

• Distinguer un mélange homogène d'un mélange hétérogène et savoir quel type de technique utiliser.
• Décrire la décantation, la filtration, la centrifugation, le tamisage et le tri magnétique.
• Décrire l'évaporation, la distillation, l'extraction par un solvant et la chromatographie.
• Légender un montage de filtration et un montage de distillation.
• Choisir la bonne technique pour un mélange donné et calculer une masse récupérée.

1. Avant de séparer : quel mélange ?

Un mélange contient au moins deux constituants. Un corps pur ne contient qu'une seule espèce chimique (eau distillée, sel pur, sucre pur).

• Mélange hétérogène : on distingue à l'œil nu au moins deux constituants (eau boueuse, sable et eau, eau et huile).
• Mélange homogène : on ne distingue qu'une seule phase (eau salée, eau sucrée, sirop de bissap filtré).

Une séparation est une transformation physique : les constituants ne changent pas de nature, on les récupère tels qu'ils étaient dans le mélange.

flowchart TD
A[Mélange à séparer] --> B{On voit plusieurs phases ?}
B -- Oui --> C[Mélange hétérogène]
B -- Non --> D[Mélange homogène]
C --> E[Décantation Filtration Centrifugation Tamisage Aimant]
D --> F[Évaporation Distillation Extraction Chromatographie]

2. Séparer un mélange hétérogène

2.1 La décantation

On laisse reposer le mélange : les particules solides les plus lourdes tombent au fond sous l'effet de leur poids. On récupère ensuite le liquide du dessus, appelé surnageant, en le versant doucement. Pour deux liquides non miscibles (eau et huile), le liquide de plus grande masse volumique se place en dessous ; on les sépare avec une ampoule à décanter.

Le liquide qui a la plus grande masse volumique \(\rho\) se trouve en bas. Rappel : \(\rho = \dfrac{m}{V}\), en \(\mathrm{g\,mL^{-1}}\) ou \(\mathrm{kg\,m^{-3}}\).

2.2 La filtration

On verse le mélange sur un papier filtre posé dans un entonnoir. Les grains solides, plus gros que les trous du filtre, restent sur le papier : c'est le résidu. Le liquide traverse : c'est le filtrat. La filtration est plus rapide et plus complète que la décantation.

Légende le montage de filtration : fais glisser chaque nom sur la bonne partie.

2.3 La centrifugation

Une centrifugeuse fait tourner très vite des tubes contenant le mélange. Les particules les plus denses sont projetées vers le fond du tube beaucoup plus vite qu'avec une simple décantation. C'est une décantation accélérée, utile quand les particules sont trop fines pour être filtrées. Au laboratoire d'analyses médicales, on centrifuge le sang pour séparer les globules (au fond) du plasma (au-dessus).

2.4 Le tamisage et le tri magnétique

Le tamisage sépare des solides de tailles différentes (farine de mil et son, sable fin et gravier). Le tri magnétique utilise un aimant pour attirer les objets en fer : on sépare ainsi de la limaille de fer du sable.

3. Séparer un mélange homogène

3.1 L'évaporation (et la cristallisation)

On chauffe (ou on laisse au soleil) une solution : le solvant (l'eau) s'évapore et le soluté solide (le sel, le sucre) reste sous forme de cristaux. L'inconvénient : on perd le solvant, qui part dans l'air.

Si l'on connaît la concentration en masse \(C_m\) de la solution et le volume \(V\) évaporé, la masse de soluté récupérée vaut :

3.2 La distillation

La distillation sépare des constituants qui ont des températures d'ébullition différentes, et permet de récupérer le liquide. On chauffe le mélange : le constituant le plus volatil (température d'ébullition la plus basse) se vaporise d'abord, la vapeur monte, puis elle est refroidie dans le réfrigérant où elle se condense. Le liquide recueilli est le distillat.

Exemples : obtenir de l'eau douce à partir d'eau salée (l'eau bout à \(100\ ^{\circ}\mathrm{C}\) sous la pression atmosphérique normale, le sel reste dans le ballon) ; séparer l'eau et l'éthanol (l'éthanol bout vers \(78\ ^{\circ}\mathrm{C}\)).

Découvre le montage de distillation étape par étape :

3.3 L'extraction par un solvant

On ajoute un solvant extracteur dans lequel l'espèce à récupérer est plus soluble que dans le mélange de départ, et qui n'est pas miscible avec ce mélange. On agite dans une ampoule à décanter, on laisse reposer, puis on récupère la phase qui contient l'espèce extraite. L'hydrodistillation (entraînement à la vapeur) permet aussi d'extraire les huiles essentielles des plantes, par exemple de la citronnelle ou de l'eucalyptus.

3.4 La chromatographie

On dépose une goutte du mélange (une encre, un colorant alimentaire) sur un papier, puis on trempe le bas du papier dans un solvant (l'éluant). En montant, le solvant entraîne chaque constituant à une vitesse différente : ils se séparent en taches distinctes. La chromatographie sert surtout à identifier les constituants d'un mélange.

4. Exemples résolus

5. Erreurs fréquentes

Récapitulatif

• Mélange hétérogène : décantation, filtration, centrifugation, tamisage, tri magnétique.
• Mélange homogène : évaporation (on récupère le solide), distillation (on récupère le liquide le plus volatil), extraction par un solvant, chromatographie (pour identifier).
• Chaque technique exploite une différence : taille, masse volumique, magnétisme, solubilité, température d'ébullition.
• Masse de soluté récupérée par évaporation : \(m = C_m \times V\).