Approche de la chimie par l'étude de l'eau/Mélanges aqueux

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Mélanges homogènes et hétérogènes

Définition

Homogène

Un mélange est homogène s'il est impossible de distinguer les différentes fractions qui le composent.

Hétérogène

Un mélange est hétérogène s'il est possible de distinguer, par simple observation et sans traitement, les différentes fractions qui le composent

Exemples de mélanges

Figure 1 : a) Mélange sirop/eau hétérogène b) Mélange sirop/eau homogène c) Mélange jus de fruits/pulpe de fruits hétérogène

Dans un sirop, l'eau moins dense a tendance à rester à la surface, on peut alors observer une fraction incolore et une fraction colorée appartenant respectivement à l'eau et au sirop. On a donc un mélange hétérogène (Figure 1a).

En agitant le tube, les deux fractions se mélangent et le liquide résultant est un mélange homogène d'eau et de sirop qu'on ne peut dissocier (Figure 1b).

Dans un jus de fruits, la présence du jus (liquide) et de la pulpe (solide) forment un mélange hétérogène (Figure 1c).

Séparation des fractions dans un mélange hétérogène

Dans un mélange hétérogène, il est possible d'isoler les différentes phases qui composent le mélange à l'aide de techniques de séparation comme la décantation et la filtration. Exemple de mélange hétérogène : huile + vinaigre.

Décantation

Définition

La décantation consiste à séparer, sous l'action de la gravitation, grâce à leur différence de densité, plusieurs phases non miscibles (qui ne se mélangent pas) dont au moins une est liquide.

Exemple

Dans une vinaigrette au repos, l'émulsion créée par l'huile et le vinaigre a tendance à se diviser en deux phases, une en bas formée par le vinaigre et l'autre en haut formée par l'huile.

Expérience

Verrerie

L'ampoule à décanter (Figure 2) est l'outil couramment utilisé pour isoler deux phases liquides non miscibles. Le mélange est versé par l'orifice du haut qui peut être bouché pour pouvoir agiter le système. Enfin le robinet du bas permet de recueillir les fractions séparément en commençant par la phase la plus dense. L'entonnoir (Figure 3) est utilisé pour verser des liquides dans des récipients et pour effectuer des filtrations à l'aide de coton ou de papier filtre.

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  Figure 2 : Ampoule à décanter
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  Figure 3 : Entonnoir

Mode opératoire

Figure 4 : Décantation d'un mélange huile/eau.

Verser un mélange d'huile d'olive et d'eau dans une ampoule à décanter de 100ml. Attendre 2 minutes. Recueillir les différentes fractions dans des récipients différents.

Observation

L'huile et l'eau forment deux phases liquides différentes. L'huile d'olive (phase organique) de couleur verte se trouve dans la phase du haut et l'eau (phase aqueuse) liquide incolore se trouve dans la phase du bas (Figure 4).

Interprétation

L'huile et l'eau sont deux liquides non miscibles, par l'action de la gravité, l'eau qui a une densité plus élevée que l'huile tombe au fond de l'ampoule.

Conclusion

La décantation d'un mélange hétérogène d'huile d'olive et d'eau a permis de séparer les deux liquides.

Filtration

Définition

La filtration est une technique permettant de séparer des constituants solides d'un milieu liquide, en faisant passer le mélange à travers un milieu poreux.

Le solide obtenu est appelé gâteau.
Le liquide obtenu est appelé filtrat.

Expérience

Figure 5 : Filtration de la pulpe d'un jus de fruits.

Mode opératoire

Placer un entonnoir au dessus d'un bécher. Placer un papier filtre dans l'entonnoir. Verser un jus de fruits avec sa pulpe dans le papier filtre et recueillir le filtrat dans un bécher.

Observation

La pulpe (solide orange) est retenue dans le papier filtre placé dans l'entonnoir, et le jus de fruit (liquide orange) coule dans l'entonnoir (Figure 5).

Interprétation

Le mélange est composé de deux phases, une liquide et une solide. Le liquide passe à travers les pores du papier filtre et peut donc être isolé. Les particules solides elles, ont un diamètre plus gros que les pores du papier filtre et sont retenues dans l'entonnoir.

Conclusion

La filtration a permis de séparer la pulpe solide du jus de fruits liquide.

Gaz dissout dans l'eau

Généralités

L'eau peut contenir de nombreux gaz et former un mélange homogène. On peut citer l'exemple du dioxygène dissout dans l'eau qui permet aux poissons de respirer, ou encore du dioxyde de carbone dissout dans les boissons gazeuses.

Un gaz peut être extrait par agitation du liquide ou en modifiant la température du liquide. En effet la solubilité des gaz varie en fonction de la température du système. Pour le dioxygène par exemple, sa solubilité est de 14,6 mg par litre d'eau à 0 °C et 7,6 mg l⁻¹ à 20 °C, ainsi avec l’augmentation de la température, l'oxygène se raréfie. Dans l'environnement, ce phénomène entraine la mort des poissons par asphyxie et plus généralement le déséquilibre de l'écosystème aquatique.

Détection du dioxyde de carbone dans l'eau

Figure 6 : Détection du dioxyde de carbone avec l'eau de chaux.

Mode opératoire

Remplir un bécher avec de l’eau de chaux. Mettre de l'eau gazeuse dans un tube à essai et relier l'extrémité du tube à l'eau de chaux avec un tuyau. Chauffer doucement l'eau gazeuse à l'aide d'une flamme pendant 5 minutes.

Observation

En chauffant, on observe un dégagement gazeux dans le tube à essai. Le gaz s'échappe à l'autre extrémité du tube pour barboter dans l'eau de chaux et un précipité blanc apparait.

Interprétation

Le dioxyde de carbone (CO₂) contenu dans l'eau est extrait et donne la réaction suivante avec l'eau de chaux :

Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O

CaCO₃ est un précipité blanc.

Conclusion

L'eau de chaux a permis de mettre en évidence la présence de dioxyde de carbone dissout dans l'eau.