Corps purs et mélanges

Verse un verre d'eau du robinet et un verre d'eau salée. Regarde-les. Ils se ressemblent : les deux sont transparents, les deux sont liquides. Et pourtant, l'un contient du sel et l'autre non. C'est le problème que cette leçon résout : ce que l'on voit ne suffit pas à savoir ce que l'on a.

Commençons par le mot le plus important. Une espèce chimique est une sorte de matière bien précise, qui porte un nom : l'eau, le sel, le sucre, le fer, le dioxygène. Ce sont cinq espèces chimiques différentes.

À partir de là, deux cas seulement, et il n'y en a pas d'autres.

Un corps pur est une matière qui contient une seule espèce chimique. L'eau distillée est un corps pur : il n'y a que de l'eau dedans. Un morceau de fer bien propre est un corps pur : il n'y a que du fer dedans.

Un mélange est une matière qui contient plusieurs espèces chimiques. L'eau salée est un mélange : il y a de l'eau et du sel. L'air est un mélange : il y a surtout du diazote et du dioxygène.

Attention à un mot du langage courant. Dans la vie de tous les jours, « pur » veut dire « propre », « naturel », « bon pour la santé ». En chimie, ce mot n'a aucun de ces sens : il veut dire une seule espèce chimique, et rien d'autre. L'eau minérale, vendue comme pure et naturelle, est un mélange — son étiquette énumère d'ailleurs tous les sels minéraux qu'elle contient.

Deux sortes de mélanges. Quand on a affaire à un mélange, on le décrit ensuite par son aspect, c'est-à-dire par ce que l'œil voit :

• un mélange est homogène quand on ne distingue pas ses constituants à l'œil nu ; il paraît uniforme, d'un seul tenant. L'eau salée, le sirop à l'eau et l'air sont homogènes ;
• un mélange est hétérogène quand on distingue ses constituants à l'œil nu. L'eau boueuse, le jus d'orange avec pulpe et le mélange d'eau et d'huile sont hétérogènes.

Ne confonds pas les deux questions. « Corps pur ou mélange ? » demande combien d'espèces chimiques sont présentes. « Homogène ou hétérogène ? » demande ce que l'on voit. Ce sont deux questions différentes, et la seconde ne se pose que pour un mélange : un corps pur n'est ni homogène ni hétérogène, il est simplement pur.

Retiens la conséquence la plus utile : un mélange homogène ressemble à un corps pur, mais n'en est pas un. C'est vrai de l'eau salée, de l'eau minérale et de l'air, et c'est là que se trompe la moitié de la classe.

Puisqu'un mélange contient plusieurs espèces chimiques, on peut chercher à les séparer. Le programme en retient trois méthodes, et chacune répond à une situation précise.

La décantation : laisser reposer. On laisse le mélange immobile, et les constituants se séparent tout seuls sous l'effet de leur poids. Elle sert pour un mélange hétérogène : les grains de sable tombent au fond du verre, l'huile remonte au-dessus de l'eau. La décantation ne coûte que de la patience, mais elle ne sépare jamais complètement.

La filtration : retenir ce qui est en morceaux. On verse le mélange dans un filtre, une feuille percée de trous minuscules. Ce qui reste dans le filtre s'appelle le résidu ; le liquide qui passe à travers s'appelle le filtrat. La filtration sert, elle aussi, pour un mélange hétérogène : elle retient les grains de sable ou la pulpe d'orange.

Voici le point à comprendre absolument. Un filtre retient ce qui est en morceaux, même très petits. Il ne retient jamais ce qui est dissous, car les particules dissoutes sont infiniment plus petites que les trous du filtre. Filtre de l'eau salée : tu obtiens de l'eau salée. Le sel passe avec l'eau, et le filtrat est toujours salé. Un filtre ne sait pas séparer un mélange homogène.

La distillation : faire bouillir, puis refroidir. On chauffe le mélange jusqu'à ébullition. La vapeur qui s'échappe est recueillie dans un tube froid, où elle redevient liquide : ce liquide s'appelle le distillat. Comme le sel ne s'évapore pas, il reste dans le ballon, et le distillat est de l'eau presque pure. C'est la seule des trois méthodes qui sépare un mélange homogène.

Un tableau résume tout, et il se retient par le raisonnement plutôt que par cœur :

Miscible ou soluble ? Deux mots, deux situations. Ces deux mots disent la même chose — « ça se mélange sans qu'on le voie » — mais ils ne s'emploient pas dans le même cas :

• soluble se dit d'un solide qui disparaît à la vue dans un liquide. Le sel est soluble dans l'eau, le sucre aussi ;
• miscible se dit d'un liquide qui se mélange complètement à un autre liquide. Le sirop est miscible à l'eau ; l'huile ne l'est pas.

Le mot à choisir dépend donc de l'état de ce que l'on ajoute : solide, on dit soluble ; liquide, on dit miscible. Dans les deux cas, le mélange obtenu est homogène.

Ce que la leçon prépare. Puisque « limpide » ne prouve rien, comment reconnaître vraiment un corps pur ? Par ses propriétés mesurables, toujours les mêmes pour une espèce chimique donnée : sa température de fusion, sa température d'ébullition et sa masse volumique, qui fait l'objet de la leçon suivante. Et jusqu'où peut-on dissoudre un solide dans un liquide ? C'est la question de la solubilité, celle d'après.

On dispose d'un bécher contenant de l'eau prélevée dans une flaque au bord de la mer. Elle est trouble : on y voit des grains de terre en suspension. On sait de plus qu'elle est salée.

1. Corps pur ou mélange ? Homogène ou hétérogène ?

C'est un mélange : il contient au moins trois espèces chimiques, l'eau, le sel et la terre. Et c'est un mélange hétérogène, puisqu'on distingue les grains de terre à l'œil nu.

Remarque. Les deux réponses ne se déduisent pas l'une de l'autre. On répond d'abord « combien d'espèces ? », puis « qu'est-ce que je vois ? ».

2. On laisse le bécher immobile pendant une heure. Que se passe-t-il ?

C'est une décantation. Les grains de terre, plus lourds que l'eau, tombent lentement au fond du bécher. Au-dessus, l'eau devient beaucoup plus claire. On peut alors verser doucement le liquide du dessus dans un autre bécher, en laissant le dépôt derrière.

Attention. L'eau ainsi récupérée est plus claire, mais elle contient encore des grains fins qui n'ont pas eu le temps de tomber. La décantation n'est jamais complète.

3. On filtre ce liquide. Qu'obtient-on dans le filtre, et qu'obtient-on en dessous ?

Dans le filtre, on obtient le résidu : les grains de terre restants, retenus parce qu'ils sont en morceaux. En dessous, on recueille le filtrat : un liquide désormais limpide.

4. Ce filtrat est-il de l'eau pure ?

Non. Et c'est la question qui compte dans tout l'exercice. Le sel était dissous dans l'eau : ses particules sont bien plus petites que les trous du filtre, et elles sont passées avec l'eau. Le filtrat est donc de l'eau salée, c'est-à-dire un mélange homogène. Il est limpide, mais il n'est pas pur.

Comment le vérifier sans le goûter ? On en évapore quelques gouttes sur une soucoupe : si un dépôt blanc apparaît, c'est qu'il y avait bien quelque chose de dissous.

5. Comment obtenir enfin de l'eau presque pure ?

Par distillation. On chauffe le filtrat jusqu'à ébullition : l'eau se vaporise, le sel reste au fond du ballon parce qu'il ne s'évapore pas. La vapeur est refroidie dans un tube, elle redevient liquide, et l'on recueille ce distillat : de l'eau presque pure.

Le bilan de l'exercice, en une phrase. Chaque méthode a répondu à un problème différent : la décantation et la filtration ont enlevé ce qui était en morceaux, la distillation a enlevé ce qui était dissous. Aucune n'aurait pu faire le travail de l'autre.

Figure (fig.chemistry.mixture-separation, SVG programmatique à produire) : trois panneaux de verrerie, dans la teinte chimie de la charte, plus un cartouche d'avertissement.

• Panneau 1 — la décantation. Un bécher haut, posé sur une paillasse. En bas, une couche de grains sombres, dessinés comme de petits polygones irréguliers ; au-dessus, un liquide clair. Une flèche verticale fine, dirigée vers le bas, est étiquetée « les grains tombent tout seuls ». À côté, le même bécher une heure plus tôt, avec les grains répartis dans tout le liquide. Sous le panneau : « mélange hétérogène ».
• Panneau 2 — la filtration. Un entonnoir garni d'un papier filtre plié en cône, posé sur un bécher. Au-dessus, une main verse le mélange trouble. Dans le cône, les grains sont retenus et étiquetés résidu ; sous l'entonnoir, des gouttes limpides tombent dans le bécher, étiquetées filtrat. Un agrandissement circulaire montre le papier filtre en coupe : des trous, un grain de terre trop gros pour passer (dessiné en trait plein, arrêté), et des particules de sel dissous minuscules (dessinées comme de très petits points) qui passent à travers, accompagnées d'une flèche traversante. Sous le panneau : « retient les morceaux, jamais ce qui est dissous ».
• Panneau 3 — la distillation. Un ballon posé sur un chauffe-ballon, relié par un tube incliné à un réfrigérant (tube entouré d'une gaine où circule l'eau froide, flèches d'entrée et de sortie), lui-même débouchant au-dessus d'une éprouvette. Dans le ballon, un liquide en ébullition avec des bulles et de la vapeur figurée en pointillés ; au fond, un dépôt blanc étiqueté « le sel reste ». Dans l'éprouvette, un liquide limpide étiqueté distillat. Un thermomètre est dessiné au sommet du ballon. Sous le panneau : « sépare un mélange homogène ».
• Cartouche d'avertissement, encadré, en bas de la figure : deux béchers identiques et limpides côte à côte, l'un étiqueté « eau distillée — corps pur », l'autre « eau salée — mélange homogène », reliés par un signe « ≠ » de grande taille. Mention : « limpide ne veut pas dire pur ».

Ce qu'il faut lire. Les trois panneaux ne sont pas trois techniques interchangeables : chacune agit sur un type de mélange, et l'agrandissement du panneau 2 dit pourquoi. Un filtre est une grille ; ce qui est dissous n'est pas arrêté par une grille. Le cartouche final rappelle que l'œil ne tranche pas la question « corps pur ou mélange ».

La figure en détail : trois panneaux de verrerie côte à côte. Le premier montre un bécher où des grains sombres sont tombés au fond, laissant un liquide clair au-dessus, avec un bécher témoin où les grains sont encore répartis partout : c'est la décantation d'un mélange hétérogène. Le deuxième montre un entonnoir garni d'un papier filtre au-dessus d'un bécher ; les grains restent dans le cône, appelés résidu, et un liquide limpide, appelé filtrat, tombe en dessous. Un agrandissement du papier filtre montre un grain de terre arrêté par les trous, tandis que de très petites particules de sel dissous passent à travers. Le troisième montre un montage de distillation : ballon chauffé, thermomètre, tube incliné, réfrigérant parcouru d'eau froide, éprouvette recueillant le distillat limpide, et dépôt blanc de sel resté au fond du ballon. En bas, un cartouche encadré oppose deux béchers limpides, l'un d'eau distillée qui est un corps pur, l'autre d'eau salée qui est un mélange homogène, avec la mention que limpide ne veut pas dire pur.

Cette leçon ne contient aucun calcul : elle contient des règles de classement. Les voici rassemblées, avec ce que chacune permet et ce qu'elle ne permet pas.

Le vocabulaire, une ligne chacun. Le soluté est ce que l'on dissout ; le solvant est le liquide qui dissout ; la solution est le mélange homogène obtenu. Le résidu est ce qui reste dans le filtre ; le filtrat est ce qui passe à travers ; le distillat est le liquide recueilli après distillation. Soluble se dit d'un solide, miscible d'un liquide.

Ce qui n'est pas au programme en 5e. Écrire les espèces chimiques sous forme de formules, comme H₂O ou NaCl, appartient à la 4e. Calculer combien de grammes de soluté se trouvent dans un litre de solution — la concentration en masse — appartient à la 3e. La chromatographie, quatrième méthode de séparation, n'est pas non plus au programme de cette année.

Une limite honnête de la distillation. Elle sépare parfaitement un solide dissous d'un liquide. Séparer deux liquides miscibles, comme l'eau et l'alcool, demande une distillation beaucoup plus soignée, et le résultat n'est jamais parfait. Ce cas n'est pas exigible au collège.

1. Croire qu'un mélange homogène est un corps pur parce qu'il paraît uniforme. C'est l'erreur numéro un du chapitre. L'eau salée, l'eau minérale et l'air sont homogènes et pourtant ce sont trois mélanges. La bonne question n'est jamais « est-ce uniforme ? » mais « combien d'espèces chimiques y a-t-il ? ».
2. Penser que la filtration sépare un solide dissous. Filtrer de l'eau salée donne… de l'eau salée. Les particules dissoutes sont trop petites pour être arrêtées par un filtre. Pour séparer un mélange homogène, il faut distiller.
3. Confondre miscible et soluble. Le sel est soluble dans l'eau, car c'est un solide. Le sirop est miscible à l'eau, car c'est un liquide. Le mot dépend de l'état de ce que l'on ajoute, pas du résultat.
4. Dire d'un corps pur qu'il est homogène. Homogène et hétérogène décrivent l'aspect d'un mélange. Un corps pur n'appartient à aucune de ces deux catégories : il se contente d'être pur.
5. Prendre le mot « pur » au sens de la vie courante. Un jus de fruit « pur jus » est un mélange ; l'eau minérale « naturelle » est un mélange. En chimie, pur veut dire une seule espèce chimique, rien de plus, rien de moins.
6. Croire que l'air n'est rien, donc qu'il n'est pas de la matière. L'air est bien de la matière, et c'est un mélange homogène de gaz, principalement du diazote et du dioxygène. On ne le voit pas, ce qui ne le rend ni pur ni absent.
7. Croire que ce qui est dissous a disparu. Le sel dissous est toujours présent : sa masse est toujours là, et l'évaporation le fait réapparaître. Ce point est repris et démontré dans la leçon sur la dissolution.
8. Choisir la méthode de séparation avant d'avoir classé le mélange. L'ordre est toujours le même : dire si le mélange est homogène ou hétérogène, puis seulement choisir la décantation, la filtration ou la distillation. Choisir d'abord, c'est se tromper une fois sur deux.

Exercice type. L'exercice tire un système chimique dans une banque de situations de la vie courante — eau salée, eau sucrée, eau et huile, eau et sable, sirop à l'eau, air, eau minérale, jus d'orange avec pulpe, eau boueuse — et pose l'une de cinq questions : l'aspect du mélange, corps pur ou mélange, la technique de séparation qui convient, le contenu du filtrat, ou le mot juste entre soluble et miscible. Il ne contient aucun nombre, aucune formule chimique.

Énoncé. On considère l'eau minérale. Est-ce un corps pur ou un mélange ?

Correction complète.

Étape 1 — écarter la question de l'aspect. L'eau minérale est limpide, uniforme, sans rien de visible. Cette observation est vraie, et elle ne sert à rien ici : elle répondrait à « homogène ou hétérogène ? », qui n'est pas la question posée.

Étape 2 — poser la vraie question. Combien d'espèces chimiques y a-t-il dans une bouteille d'eau minérale ? Il suffit de lire l'étiquette : elle énumère du calcium, du magnésium, des bicarbonates, des sulfates. Chacun est une espèce chimique dissoute, en plus de l'eau elle-même.

Étape 3 — conclure. L'eau minérale contient plusieurs espèces chimiques : c'est donc un mélange. Et comme on ne distingue rien à l'œil nu, c'est un mélange homogène.

Étape 4 — prévoir le piège de l'option fausse. La réponse tentante est « un corps pur, puisque le liquide est limpide et uniforme ». C'est exactement l'erreur que le modèle cherche à révéler : elle confond ce que l'on voit et ce que l'on a.

Étape 5 — savoir le prouver. Fais évaporer un peu d'eau minérale dans une soucoupe : un dépôt blanc reste. Un corps pur, lui, ne laisserait rien. C'est la preuve expérimentale, et elle vaut mieux que l'affirmation.

Auto-contrôle en une question. Est-ce que je réponds sur le nombre d'espèces chimiques, ou sur ce que je vois ? Si c'est sur ce que je vois, je ne réponds pas à la question posée.