Corps purs et mélanges : reconnaître et séparer
Distinguer un corps pur d'un mélange. Reconnaître un mélange homogène (une seule phase) d'un mélange hétérogène (plusieurs phases). Mettre en œuvre la décantation et la filtration pour séparer les constituants d'un mélange hétérogène. Comprendre le rôle de chaque technique sur des situations agricoles (traitement de l'eau, lait, vinaigrette, eau d'arrosage).
- →Distinguer un corps pur d'un mélange
- →Reconnaître un mélange homogène d'un mélange hétérogène
- →Identifier les phases d'un mélange
- →Mettre en œuvre une décantation et une filtration
- →Choisir la technique de séparation adaptée à un mélange donné
- →Citer des exemples agricoles : eau d'arrosage, lait, eaux usées
01Corps purs et mélanges
Corps pur.Un corps pur ne contient qu'une seule espèce chimique. Il a des propriétés bien définies (température de fusion, masse volumique). Exemples : eau distillée pure, fer pur, dioxygène pur, sel (chlorure de sodium) purqualité requise. Réponse : pur.
Mélange.Un mélange contient plusieursau minimum 2. Réponse : plusieurs espèces chimiques différentes. La plupart des matières du quotidien sont des mélanges : air, eau du robinet, lait, terre, jus de fruit, sang.
| Substance | Corps pur ou mélange ? | Justification |
|---|---|---|
| Eau distillée | Corps purRéponse : Corps pur | Uniquement des molécules H₂O |
| Eau du robinet | MélangeRéponse : Mélange | Contient sels minéraux (Ca²⁺, Mg²⁺…) |
| Air | Mélange | Mélange de N₂ (78 %), O₂ (21 %), CO₂, vapeur d'eau |
| Fer pur (lingot de laboratoire) | Corps pur | Uniquement des atomes de fer |
| Acier (alliage) | Mélange | Fer + carbone + autres métaux |
| Eau de mer | Mélange | Eau + sel + autres ions dissous |
À l'œil nu, beaucoup de mélanges apparaissent comme des « substances uniques » : le lait, l'eau du robinet, l'air. Seule la composition à l'échelle microscopique permet de trancher. Pour préparer un corps pur à partir d'un mélange, il faut souvent des techniques avancées (distillation, électrolyse).
02Mélanges homogènes et hétérogènes
Mélange homogène.Un mélange est homogène si on ne distingue qu'une seule phase à l'œil nu : la matière paraît uniforme. Exemples : eau salée, eau sucrée, vinaigre, airmélange homogène de gaz. Réponse : air.
Mélange hétérogène.Un mélange est hétérogène si on distingue plusieurs phasesdomaines visiblement séparés. Réponse : phases : zones distinctes, particules en suspension, séparation des liquides. Exemples : eau + huile, eau boueuse, vinaigrette, lait au microscope.
| Mélange | Type | Phases visibles |
|---|---|---|
| Eau sucrée (sucre dissous) | homogèneRéponse : homogène | 1 phase liquide claire |
| Eau + huile dans un verre | hétérogèneRéponse : hétérogène | 2 phases : eau en bas, huile en haut |
| Eau boueuse (eau de mare) | hétérogène | Liquide + solide en suspension |
| Sirop industriel | homogène | 1 phase liquide colorée |
| Eau pétillante avec bulles | hétérogène | Liquide + gaz (bulles de CO₂) |
| Vinaigrette agitée | hétérogène (émulsion) | Gouttes d'huile dans le vinaigre |
03Séparer un mélange hétérogène
| Technique | Principe | Mélange visé | Exemple |
|---|---|---|---|
| Décantation | Laisser les particules plus lourdes se déposer au fond par gravité, puis transvaser doucement la phase claire. | Hétérogène solide/liquide qui décante | Eau de mare boueuse en cuve |
| Filtration | Passer le mélange à travers un filtre (papier, sable) qui retient les particulessolides dispersés. Réponse : particules. | Hétérogène solide/liquide même fin | Eau de sable, café filtré |
| Évaporation | Chauffer doucement pour évaporer le liquide ; le solide dissous reste au fond. | Homogène : récupérer le soluté | Récupérer du sel de l'eau de mer |
- 1Observer : combien de phases voit-on ? Le mélange est-il homogène ou hétérogène ?
- 2Si hétérogène avec particules qui décantent (lourdes, visibles) : commencer par décantation, puis affiner par filtration.
- 3Si hétérogène avec particules fines qui ne décantent pas : filtration directe.
- 4Si homogène et qu'on veut récupérer le solide dissous : évaporation.
- 5Si homogène et qu'on veut récupérer le liquide pur : distillation (vu en classes supérieures).
Pour rendre une eau de récupération boueuse utilisable pour arroser un potager : on commence par une décantationlaisse les grosses particules tomber. Réponse : décantation 24 h en cuve. La phase claire du haut est ensuite filtréeà travers un filtre. Réponse : filtrée sur un filtre à café ou un tissu fin pour retirer les particules restantes.
Sur le marché agricole, les filtres à eau de pluie sont vendus en kits comprenant un préfiltre (décantation/filtration grossière), puis un filtre fin (50 µm), parfois un filtre à charbon actif. Le choix dépend de l'usage final : arrosage tolère un peu de particules, abreuvoir nécessite une filtration plus fine.
Exercices
Exercice 1— Reconnaître un corps pur ou un mélangeOuvrir
Pour chaque substance, indiquer s'il s'agit d'un corps pur ou d'un mélange. Si c'est un mélange, préciser homogène ou hétérogène : (a) l'air, (b) une eau pétillante avec bulles, (c) le lait, (d) l'eau distillée vendue en flacon, (e) un jus de fruit avec pulpe.
✓ Correction
- (a) Mélange homogène (dioxygène + diazote + autres gaz, tous dispersés à l'échelle moléculaire — 1 seule phase visible).
- (b) Mélange hétérogène : eau liquide + bulles de gaz (CO₂) qui forment une seconde phase visible.
- (c) Mélange hétérogène : à l'œil nu il semble homogène, mais au microscope, on voit les globules de matière grasse en suspension dans l'eau.
- (d) Corps pur (uniquement des molécules H₂O).
- (e) Mélange hétérogène : jus liquide + pulpe en suspension.
Exercice 2— Choisir la technique de séparationOuvrir
Pour chacun des cas suivants à la ferme, choisir la technique la plus adaptée (décantation, filtration, évaporation) et justifier : (a) récupérer le sel à partir d'eau de mer, (b) séparer le sable d'une eau de cours d'eau, (c) rendre une eau d'arrosage très boueuse utilisable pour goutte-à-goutte.
✓ Correction
- (a) Évaporation : l'eau salée est un mélange homogène ; en chauffant doucement, l'eau s'évapore et le sel cristallise au fond. C'est exactement la méthode des marais salants.
- (b) Décantation puis filtration : le sable est lourd, il décante rapidement ; on récupère ensuite la phase claire qu'on filtre pour éliminer les fines particules restantes.
- (c) Décantation (24 h) + filtration sur sable fin (50 µm). L'eau pour goutte-à-goutte doit être très propre pour ne pas boucher les émetteurs.
Exercice 3— Composition de l'air et conservation (problème ouvert)Ouvrir
L'air est un mélange de dioxygène (≈ 21 %) et de diazote (≈ 78 %), plus quelques autres gaz minoritaires (CO₂, vapeur d'eau, argon). (a) L'air est-il un mélange homogène ou hétérogène ? Justifier. (b) Pourquoi peut-on dire que l'air est essentiellement un mélange de deux corps purs principaux ? Lesquels et dans quelles proportions massiques approximatives ? (c) Imaginer (sans les détailler) deux techniques pour séparer l'air en ses constituants à l'échelle industrielle.
💡 Indice
Pour (c), pense aux changements d'état vus en chapitre 2. Le dioxygène et le diazote ne se liquéfient pas à la même température.
✓ Correction
(a) Homogène : on ne distingue qu'une seule phase à l'œil nu, les molécules de N₂ et O₂ sont totalement mélangées au niveau microscopique. Aucune zone distincte visible.
(b) Les deux corps purs principaux sont le diazote N₂ (≈ 78 %) et le dioxygène O₂ (≈ 21 %). Les autres gaz (argon ≈ 1 %, CO₂ < 0,05 %) sont en quantités très minoritaires.
(c) Idée 1 : distillation fractionnée de l'air liquide — on refroidit l'air à très basse température (−200 °C) jusqu'à le liquéfier, puis on réchauffe progressivement : le diazote bout à −196 °C et s'évapore en premier, le dioxygène à −183 °C ensuite. Idée 2 : utiliser des membranes sélectives qui laissent passer certaines molécules. La première méthode (Linde) est utilisée industriellement.