Corps purs et mélanges

Compare deux échantillons donnés par le dossier : de l'eau pure et une solution de sel entièrement dissous dans l'eau. Les deux sont transparents. Leur aspect seul ne permet pourtant pas de connaître leur composition. L'eau du robinet, elle, peut contenir des ions dissous : elle n'est pas un exemple garanti d'eau pure.

Une espèce chimique désigne ici un constituant identifié, comme l'eau, le sucre, le fer ou le dioxygène. Un corps pur contient une seule espèce ; un mélange en contient plusieurs. Le modèle d'un échantillon constitué uniquement d'eau est un corps pur. Une propreté visible ou une distillation réelle ne démontre pas à elle seule une pureté absolue.

Un mélange est dit homogène à l'échelle de l'observation lorsque son aspect est uniforme et que ses constituants ne sont pas distingués ; il est hétérogène lorsque plusieurs phases sont distinguées. Dans les observations à l'œil nu du cours, eau salée entièrement dissoute, air sans gouttelettes et sirop dilué sont homogènes ; eau avec sable visible et eau avec huile séparée sont hétérogènes.

Composition et nombre de phases sont deux questions différentes. De l'eau pure peut être présente simultanément comme glace et liquide : plusieurs phases ne signifient donc pas nécessairement plusieurs espèces. Ici, nous réservons les exercices de classement homogène/hétérogène aux mélanges annoncés. Limpide ne signifie pas pur : l'eau minérale contient notamment des espèces dissoutes.

Pour séparer des constituants, précise d'abord leur état, leur dispersion et ce que tu souhaites récupérer. Nous comparons trois méthodes ; elles ne constituent pas la liste de toutes les techniques possibles.

Décantation. Au repos sous la pesanteur, des grains insolubles plus denses que le liquide peuvent se déposer. Pour deux liquides non miscibles, des couches peuvent se former, la moins dense au-dessus dans le montage usuel. Taille des grains, viscosité, agitation et durée comptent : une séparation suffisamment complète n'est pas garantie dans toute situation.

Filtration sur papier ordinaire. Les grains retenus constituent le résidu ; le liquide recueilli est le filtrat. La rétention dépend des particules et des pores. Dans le montage étudié, les grains assez gros sont retenus tandis que le sel dissous traverse avec l'eau. Cela ne décrit pas tous les filtres : certaines membranes, utilisées avec un procédé adapté, permettent aussi de séparer des solutés dissous.

Distillation. On vaporise une partie du mélange puis on condense la vapeur. Le liquide recueilli est le distillat. Pour le modèle eau/sel non volatil, l'eau est récupérée tandis que le sel reste dans le ballon. En pratique, entraînement de gouttelettes, autres constituants volatils et propreté du montage limitent la pureté obtenue. Le montage est réalisé sous encadrement adapté.

Solubilité et miscibilité. Le sel et le sucre peuvent se dissoudre dans l'eau jusqu'à une limite dépendant des conditions. Avec un excès de solide, une solution saturée peut coexister avec du solide non dissous : l'ensemble est alors hétérogène. Le mot soluble ne se limite pas aux solides : un gaz peut également se dissoudre. Deux liquides sont complètement miscibles lorsqu'ils forment une seule phase dans toutes les proportions, aux conditions considérées ; certains ne le sont que partiellement. Le sirop dilué et l'huile séparée de l'eau illustrent les cas retenus ici.

Des mesures de propriétés peuvent compléter l'identification, à température et pression précisées. Une température d'ébullition dépend notamment de la pression. Une seule propriété ou un aspect uniforme ne constitue pas une preuve universelle de pureté.

Dossier simplifié. Un bécher contient de l'eau, du sel dissous et des grains insolubles visibles. Il représente de l'eau boueuse salée, sans faire de la terre une espèce chimique unique : une terre réelle contient de nombreux constituants.

1. Classer. Plusieurs espèces sont présentes : c'est un mélange. Les grains sont visibles dans le liquide : l'ensemble est hétérogène à l'échelle observée.
2. Laisser reposer. Dans les conditions du dossier, les grains assez denses et assez gros se déposent. On peut prélever le liquide supérieur ; de petites particules peuvent encore y rester. La durée nécessaire n'est pas universelle.
3. Filtrer. Le papier ordinaire retient les grains plus gros que ses pores : ils forment le résidu. Dans notre modèle où tous les grains restants sont ainsi retenus, le filtrat devient limpide. Un vrai filtre ne garantit pas l'élimination de toute particule ou de tout microorganisme.
4. Interpréter. Le sel dissous a traversé : le filtrat reste un mélange homogène d'eau et de sel. Limpidité et potabilité sont également différentes ; on ne goûte pas l'échantillon.
5. Récupérer l'eau. Une distillation adaptée vaporise puis condense l'eau, en laissant le sel non volatil dans le ballon. Le distillat peut être très appauvri en sel, sans garantie de pureté absolue pour un montage réel.

Pour vérifier la présence d'un soluté non volatil, un prélèvement peut être évaporé dans un protocole encadré : un résidu peut subsister. Son absence ne prouve pas universellement la pureté ; d'autres impuretés peuvent être volatiles ou présentes sous le seuil de détection. Pour récupérer le sel plutôt que l'eau, l'évaporation est une autre option. Le choix dépend donc du constituant recherché et du matériel.

La figure compare trois montages. À gauche, les grains représentés se déposent au fond tandis que le liquide supérieur s'éclaircit. Au centre, le papier retient les grains représentés ; l'agrandissement montre les petites particules de sel dissous qui traversent, et les mots résidu et filtrat désignent deux produits différents.

À droite, le ballon chauffé est relié à un réfrigérant puis à un récipient de collecte : le distillat est le liquide issu de la condensation. Le dépôt blanc représente le sel resté dans le modèle eau/sel non volatil. Les flèches d'eau froide concernent le réfrigérant, pas une dilution de l'échantillon.

Le cartouche inférieur oppose de l'eau pure donnée comme telle dans le modèle et de l'eau salée : deux liquides limpides peuvent avoir des compositions différentes. Les dessins de grains et de pores ne sont pas à l'échelle moléculaire. Ils illustrent une filtration sur papier ordinaire, pas toutes les technologies de membranes.