En fonction des propriétés de solubilité des solides dans les liquides et de miscibilité des liquides, les mélanges obtenus sont homogènes ou hétérogènes. Selon la nature des constituants à séparer, les techniques de séparation sont différentes. Les techniques les plus fréquentes sont la filtration, la décantation et la distillation. Le pH des solutions acides et basiques permet d'expliquer certaines de leurs propriétés. Des mélanges peuvent conduire à des transformations chimiques, reconnaissables par l'évolution de la composition du système chimique.
Les différents types de mélanges
Le plus souvent la matière résulte de l'association de différentes espèces chimiques. Il s'agit de mélanges, qui peuvent être homogènes ou hétérogènes. Lorsqu'un solide peut se dissoudre dans un liquide, on parle de solubilité. Lorsque deux liquides peuvent se mélanger, on parle de miscibilité.
Les mélanges homogène et hétérogène
Si on ne peut pas discerner les différents composants d'un mélange, celui-ci est dit homogène, sinon il est hétérogène.
Mélange homogène
Un mélange homogène est un mélange dont les composants sont invisibles à l'œil nu.
L'air est un mélange homogène : on ne distingue pas les différents gaz qu'il contient.
Mélange hétérogène
Un mélange hétérogène est un mélange dont il est possible de distinguer les composants à l'œil nu.
L'eau et le sable forment un mélange hétérogène : même mélangés, on peut encore les distinguer.
La solubilité
Un solide est dit soluble dans un liquide si sa dissolution produit un mélange homogène, appelé solution. Sinon, le solide est dit insoluble dans ce liquide. Même un solide soluble dans un liquide finit par devenir insoluble si l'on essaie d'en dissoudre une trop grande quantité. On dit alors que la solution obtenue est saturée.
Solubilité
La solubilité est la capacité pour un solide à se dissoudre dans un liquide.
Le sel et le sucre sont des solides solubles dans l'eau.
Solvant
Un solvant est un liquide dans lequel des solides peuvent se dissoudre.
L'eau est un bon solvant : elle peut dissoudre une grande majorité de solides, liquides et même de gaz.
Solution
Une solution est le mélange obtenu après dissolution d'un solide dans un solvant.
L'eau salée est une solution : elle est obtenue par dissolution de sel dans l'eau.
Solution aqueuse
Une solution aqueuse est une solution dans laquelle l'eau est le solvant.
L'eau salée est une solution aqueuse : l'eau y est le solvant.
Lorsqu'il se dissout dans l'eau, un solide se scinde en atomes ou molécules, chargés ou neutres, invisibles à l'œil nu, qui se dispersent dans la solution. La nature du mélange (après agitation) obtenue dépend de la solubilité du solide dans le solvant :
- Si le solide est soluble dans le solvant, le mélange est homogène.
- Sinon, le mélange est hétérogène.
- Le sel est soluble dans l'eau : après agitation, l'eau et le sel forment donc un mélange homogène.
- Le sable est insoluble dans l'eau : même après agitation, l'eau et le sable forment un mélange hétérogène.
Si l'on essaie de dissoudre une trop grande quantité d'un solide dans un liquide, il finit par ne plus se dissoudre. On dit alors que la solution est saturée.
Le sucre est un solide très soluble dans l'eau. Toutefois, si on essaie de dissoudre plus de 2,0 kg de sucre dans un litre d'eau, une partie du sucre va tomber au fond du récipient, même après agitation. La solution obtenue est alors saturée en sucre.
La miscibilité
Deux liquides pouvant se mélanger pour former un mélange homogène sont dits miscibles. Si les deux liquides sont non miscibles, le mélange obtenu est hétérogène.
Miscibilité
La miscibilité est la capacité de deux liquides à se mélanger.
L'eau et un sirop peuvent se mélanger, ce sont des liquides miscibles.
Deux liquides miscibles forment un mélange homogène.
L'eau et le sirop forment un mélange homogène : ces deux liquides sont miscibles.
Deux liquides non miscibles forment un mélange hétérogène.
L'eau et l'huile forment un mélange hétérogène : ces deux liquides sont non miscibles.
La séparation des composants d'un mélange
Pour séparer différents constituants d'un mélange, il existe plusieurs méthodes :
| Méthode de séparation | Convient pour séparer |
| Filtration | Un solvant et un solide insoluble |
| Décantation | Des liquides non miscibles |
| Distillation | Des liquides miscibles |
La séparation d'un solvant et d'un solide insoluble
Un liquide et un solide insoluble peuvent être séparés par filtration.
Filtration
La filtration est une technique permettant de séparer un solide d'un liquide dans lequel il est insoluble.
Filtrat
Lorsqu'un mélange solide-liquide est versé à travers un filtre, on appelle filtrat le liquide filtré.
Lors d'une filtration d'un mélange d'eau et de sable, le filtrat est l'eau.
Résidu
Lorsqu'un mélange solide-liquide est versé à travers un filtre, on appelle résidu le solide retenu.
Lors d'une filtration d'un mélange d'eau et de sable, le résidu est le sable.
La séparation de liquides non miscibles
Deux liquides non miscibles peuvent être séparés par décantation.
Décantation
La décantation est un procédé qui consiste à séparer les composants d'un mélange hétérogène en fonction de leur densité.
L'huile et l'eau sont des liquides non miscibles, on peut donc les séparer par décantation.
Pour séparer deux liquides non miscibles par décantation, on verse le mélange des deux liquides dans une ampoule à décanter. Les deux liquides se positionnent alors selon leur densité (le plus dense en bas et le moins dense en haut). On peut ensuite les récupérer séparément à l'aide du robinet.
Lorsqu'on sépare l'huile et l'eau par décantation, l'huile se place au-dessus de l'eau car la densité de l'huile est inférieure à celle de l'eau.
La séparation de liquides miscibles
Deux liquides miscibles peuvent être séparés par distillation.
Distillation
La distillation est un procédé qui consiste à séparer des liquides miscibles en fonction de leur température de vaporisation.
L'alcool et l'eau sont des liquides miscibles. Ils peuvent être séparés par distillation car leurs températures de vaporisation (à pression ambiante) sont différentes (respectivement 79 °C et 100 °C).
Pour séparer deux liquides miscibles par distillation, on chauffe le mélange homogène qu'ils forment. Le liquide le plus volatil (celui qui a la température de vaporisation la plus faible) se vaporise le premier. Il monte le long de la colonne et est enfin condensé en passant à l'intérieur du réfrigérant (autour duquel circule en permanence de l'eau fraîche). Ce liquide s'écoule enfin dans un second récipient sous l'effet de la gravité. Les deux liquides sont désormais séparés.
Lors de la distillation d'un mélange eau-alcool, l'alcool sera récupéré en premier car il est plus volatil que l'eau.
Les solutions acides et basiques
Certaines propriétés de solutions aqueuses s'expliquent par leur pH. Le pH est une grandeur qui varie de 0 à 14 et qui distingue les solutions acides, neutres et basiques.
Certains corps dissous dans l'eau peuvent lui conférer de nouvelles propriétés, notamment son caractère acide ou basique, qui permet d'expliquer certaines transformations chimiques et qui est mesuré par son pH.
La dissolution de dioxyde de carbone dans l'eau lui donne un caractère acide.
pH
Le pH (potentiel hydrogène) est une grandeur sans unité qui caractérise l'acidité d'une solution, qui peut varier de 0 à 14.
- Si le pH est inférieur à 7, la solution est acide.
- Si le pH est voisin de 7, la solution est neutre.
- Si le pH est supérieur à 7, la solution est basique.
- Le pH d'un jus de citron est de 2,7 : c'est donc une solution acide.
- Le pH de l'eau pure est de 7,0 : c'est donc une solution neutre.
- Le pH d'une eau savonneuse est de 9,1 : c'est donc une solution basique.
La mesure du pH peut se faire avec du papier pH : la couleur de ce papier dépend du pH de la solution qu'on met à son contact.
Les mélanges qui conduisent à des transformations chimiques
Les tests de l'eau et du dioxyde de carbone peuvent mettre en évidence la formation de ces espèces chimiques. Certains mélanges conduisent à des transformations chimiques lors desquelles des espèces sont consommées et d'autres sont formées. La combustion du carbone et la réaction du calcaire dans du vinaigre sont des exemples de transformations chimiques.
Les tests de l'eau et du dioxyde de carbone
Le test de l'eau, réalisé avec du sulfate de cuivre anhydre, permet de mettre en évidence la présence de l'eau dans un mélange et le test à l'eau de chaux permet d'identifier le dioxyde de carbone.
Pour tester la présence d'eau dans un mélange, on verse celui-ci sur du sulfate de cuivre anhydre. Si le mélange contient de l'eau, le sulfate de cuivre anhydre, initialement blanc, devient bleu.
Pour tester la présence de dioxyde de carbone dans un mélange, on réalise le test à l'eau de chaux : on introduit le gaz à identifier dans de l'eau de chaux (on dit qu'on le fait barboter), si elle se trouble c'est qu'il s'agit de dioxyde de carbone.
Reconnaître une transformation chimique
L'évolution de la composition du système permet de reconnaître une transformation chimique.
Système chimique
Le système chimique est l'ensemble des substances (solides, liquides ou gazeuses) mises en présence les unes avec les autres que l'on étudie. Un système chimique est donc un mélange.
Transformation chimique
Une transformation chimique est l'évolution d'un système chimique, entre un état initial et un état final, par laquelle des substances chimiques réagissent entre elles pour en former de nouvelles.
Un clou en fer placé dans un verre d'eau suffisamment longtemps finit par rouiller. Il s'agit d'une transformation chimique.
On peut reconnaître qu'un système est le siège d'une transformation chimique en mettant en évidence que sa composition est modifiée : une ou plusieurs espèces chimiques, présentes dans son état initial, sont consommées pour former, dans son état final, une ou plusieurs autres espèces chimiques.
Lorsqu'un clou en fer est placé dans un verre d'eau, le fer est consommé et de la rouille se forme. Il s'agit donc d'une transformation chimique.
Les tests de l'eau et du dioxyde de carbone sont aussi des exemples de transformations chimiques.
Il ne faut pas confondre un changement d'état, appelé aussi transformation physique, et une transformation chimique. Contrairement à une transformation chimique, lors d'un changement d'état, la composition du système n'évolue pas.
Lors de la fusion d'un glaçon, l'eau présente à l'état initial n'a pas été consommée, elle a seulement changé d'état : solide à l'état initial et liquide à l'état final.
Certains mélanges de produits domestiques (d'entretien ménager ou de cuisine) peuvent conduire à des transformations chimiques et à la formation de produits nocifs.
Il est donc dangereux de mélanger des produits domestiques sans tenir compte de leur composition.
Le mélange de l'eau de javel avec des nettoyants pour la plomberie peut causer une irritation des muqueuses et des bronches à court terme, et même des œdèmes pulmonaires à plus long terme, à cause du dégagement de gaz nocif.
Ne jamais mélanger des produits ménagers.
Il est dangereux de verser de l'eau de Javel dans la cuvette des WC si on vient d'y mettre du détartrant.
Des exemples de transformations chimiques
La combustion du carbone et la réaction du calcaire dans du vinaigre sont des exemples de transformations chimiques.
La combustion du carbone
La combustion du carbone est une transformation chimique qui a lieu lorsqu'on place du carbone incandescent dans du dioxygène. Elle peut être mise en évidence par la disparition du carbone et la formation de dioxyde de carbone.
Le carbone, de formule brute \ce{C}, est un solide gris ou noir qui est le composant principal du charbon, du fusain ou du graphite des mines de crayon.
Lorsqu'on place un morceau de carbone incandescent dans du dioxygène pur, il brûle vivement. Le carbone est consommé et l'eau de chaux permet de mettre en évidence la formation de dioxyde de carbone. La composition du système a évolué, il s'agit donc bien d'une transformation chimique.
La réaction du calcaire dans le vinaigre
Lorsqu'on introduit du calcaire dans du vinaigre, une transformation chimique a lieu. Elle peut être mise en évidence par la disparition du calcaire et la formation de dioxyde de carbone.
Calcaire
Le calcaire est un solide blanc qui est, par exemple, le composant principal des craies.
Les falaises ci-dessous sont en calcaire, d'où leur couleur blanche.
Vinaigre
Le vinaigre est une solution aqueuse acide utilisée en cuisine.
Lorsqu'on place du calcaire dans du vinaigre, il se dissout et des bulles de gaz se forment. Le calcaire est consommé et l'eau de chaux permet de mettre en évidence que le gaz formé est du dioxyde de carbone. La composition du système a évolué, il s'agit donc bien d'une transformation chimique.
