Science et technologie s1049

La séparation des mélanges

La séparation des mélanges permet d'isoler ou de séparer certains constituants des mélanges dans lesquels ils se trouvent.

Il est souvent nécessaire, pour obtenir une substance pure, de la séparer de toutes les autres substances qui l'accompagnent. On peut séparer les mélanges par des moyens physiques, qui seront traités dans la présente fiche. Le choix de la technique varie en fonction du mélange, de la substance que l'on doit séparer du reste du mélange et des phases qui constituent le mélange. Les techniques les plus utilisées sont :

L'évaporation

L'évaporation est un processus par lequel on élimine la partie liquide d'un mélange en le transformant en gaz.

Pour ce faire, on peut laisser le constituant liquide du mélange s'évaporer naturellement à température ambiante, ou on peut accélérer le processus en chauffant le mélange. L'évaporation sert à récupérer la partie solide d'un mélange hétérogène ou encore le soluté solide d'une solution. Elle permet aussi de concentrer le soluté d'une solution dans un plus petit volume de solvant. 


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La décantation

La décantation est un processus qui permet de séparer des liquides non miscibles qui n’ont pas la même masse volumique (densité)

On laisse reposer les deux liquides dans une ampoule à décantation. Le liquide qui possède la masse volumique la plus grande se déplace alors vers le fond de l’ampoule. Le liquide qui possède la masse volumique la plus petite quant à lui se déplace vers le haut. Lorsque les deux phases sont bien distinctes, on peut séparer les deux liquides. Cette technique peut être utilisée pour séparer, par exemple, un mélange d’eau et d’huile. Comme on le remarque sur l’image ci-dessous, l’huile flotte sur l’eau, car l’huile a une masse volumique plus faible que l’eau.
 
La décantation peut aussi permettre de séparer des particules solides en suspension d'un liquide, ce qui est souvent nommé sédimentation. Lors de la sédimentation, les particules en suspension cessent de se déplacer et se déposent dans le fond du récipient. Le dépôt est alors appelé sédiment. Une fois que les particules en suspension se sont bien déposées dans le fond du contenant, on utilise une tige de verre pour verser le liquide dans un autre contenant. On se retrouve alors avec le liquide dans un contenant et la partie solide dans l’autre.
 
Cette technique peut être utilisée par exemple avec un mélange d’eau et de sable. On laisse le mélange reposer pendant un certain temps. Le sable se dépose alors dans le fond du contenant. On transvide l’eau, à l’aide d’une tige de verre, dans un autre contenant.

La filtration

La filtration est une technique qui permet de séparer les constituants d’un mélange lorsqu’un des constituants est sous la phase liquide et l’autre, sous la phase solide.

Pour ce faire, on utilise un filtre. Ce filtre permet de retenir les particules solides qui sont plus grosses que les pores (trous) du filtre.
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Le liquide qui passe au travers du filtre est appelé filtrat et le solide que l’on recueille dans le filtre est appelé résidu. Cette technique peut être utilisée pour séparer de l’eau et un composé comme du |CaCO_{3}| (poudre blanche).

La distillation

La distillation est une technique de séparation des mélanges utilisée pour séparer les constituants d'un mélange homogène liquide ou d'un mélange hétérogène comportant au moins une phase liquide. 

En utilisant cette technique, on fait appel à la propriété de point d'ébullition. On chauffe le mélange jusqu’à ce qu'on atteigne le point d’ébullition d’un des constituants. Ce liquide s’évapore alors et les vapeurs sont recueillies et condensées dans un autre récipient. Pendant que le premier liquide s'évapore (distillat), le deuxième n'atteint pas sa température d'évaporation et reste sous forme liquide dans le contenant initial (résidu).
 

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Grâce à cette technique, on peut séparer un mélange d’alcool et d’eau. L’alcool a une température d’ébullition plus basse que l’eau, alors elle s’évaporera en premier. Les vapeurs d’alcool seront recueillies et refroidies. Cette condensation permettra de récupérer l’alcool (distillat) dans un autre contenant. L’eau (résidu) restera dans le contenant initial.

Le tamisage

La technique du tamisage consiste à séparer les constituants d’un mélange de substances solides à l’aide d’un tamis.

Un tamis, c’est un instrument qui ressemble à un grillage, comme les cordes d’une raquette de tennis par exemple. L’espace entre les fils est plus ou moins grand.

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On peut séparer par exemple un mélange de sable fin et de cailloux à l’aide d’un tamis. Il suffit de passer tout le mélange à travers le tamis. Ainsi, les cailloux demeureront sur le tamis et le sable fin passera au travers.

La centrifugation

La centrifugation est une technique de séparation qui, par l’action de la force centrifuge, permet de séparer de deux à trois phases.

Le mélange est entraîné dans un mouvement de rotation très rapide. Les particules solides les plus lourdes sont alors poussées vers les parois du récipient sous l'action de la force centrifuge, alors que les particules plus légères et les liquides restent en surface, ce que l'on nomme surnageant. L’appareil qui sert à réaliser une centrifugation est appelé centrifugeuse.

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Le principe de fonctionnement est le même que pour une essoreuse à salade. On place la salade dans l’essoreuse et on fait tourner le tout très rapidement. Les feuilles de salade collent à la paroi du panier tandis que l’eau colle à la paroi du récipient. Lorsque tout arrête de tourner, l’eau tombe et elle est récupérée dans le bas du panier. À l’aide d’une centrifugeuse, on peut, par exemple, séparer les globules rouges du plasma sanguin.

Le broyage

Le broyage consiste à réduire en miettes ou à écraser par choc un solide pour en produire des grains ou un liquide.

Les instruments souvent utilisés pour faire un broyage sont le mortier et le pilon. Le pilon permet de broyer les plus gros morceaux pour en produire des plus petits, alors que le mortier permet de récupérer tous les constituants de la substance de départ.

Cette technique est entre autres utilisée en cuisine pour produire un aïoli, une sauce traditionnellement produite à partir d'huile d'olive et d'ail. Afin de produire une émulsion (mélange de deux solutions non miscibles), il faut un deuxième liquide, qui provient du jus extrait de l'ail. Il sera donc possible d'obtenir le liquide en broyant l'ail avec le pilon.

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Le pressage

Le pressage est une technique qui consiste à comprimer de manière à extraire un liquide.

On utilise le pressage lorsque vient le temps d'extraire le jus d'une orange. En pressant l'orange, le jus est expulsé du fruit.

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La chromatographie sur papier permet de séparer les constituants d’un mélange grâce à leurs différentes vitesses de migration.
Pour réaliser cette technique, on doit maintenir verticalement des bandes de papier et plonger leur base dans un solvant. Le solvant peut être de l’eau ou de l’alcool. Le mélange que l’on veut séparer est déposé à la base de la bande de papier.
Le liquide va alors monter le long de la bande de papier par capillarité et entraîner les différents constituants du mélange avec elle.
Chaque constituant est entraîné à une vitesse différente. Les différentes substances vont donc se séparer au fur et à mesure sur le papier. Les substances ainsi séparées, bien souvent des molécules, vont finalement apparaître sous forme de taches colorées.
Cette technique est utilisée pour séparer, entre autres, les différents pigments que contient une feuille d’arbre.

Les techniques chimiques

Il existe des techniques plus complexes de séparation des mélanges, qui nécessitent, par exemple, l'ajout de réactifs pour initier une réaction chimique (la précipitation).

La précipitation consiste à former une phase hétérogène au sein d’une autre phase. Si l’on soupçonne la présence de certains ions dans une solution, il est possible d'ajouter un autre ion qui formera une substance solide avec eux. Ainsi, s’il y a effectivement présence de l’ion recherché, on verra apparaître une substance solide qu’on pourra par la suite filtrer et récupérer. La précipitation est un moyen chimique de séparation des mélanges.
Si on veut récupérer les ions de plomb dans une solution de dinitrate de plomb (|Pb(NO_{3})_{2}|), on peut ajouter une solution contenant de l’iode. Le plomb se lie avec l’iode pour former du diiodure de plomb (|PbI_{2}|), qui est un solide poudreux jaune.

 

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