Séparation de mélanges

BD d’introduction : Une séparation difficile

Il existe de nombreuses méthodes qui permettent de sépararer les constituants d’un mélange :

Dans chaque cas, ces méthodes se basent sur des différences de propriétés physiques des constituants à séparer.

La décantation

La décantation permet de séparer les constituants d’un mélange hétérogène. Il suffit d’attendre que les constituants se séparent tout seuls sous l’effet de la gravitation.

La décantation repose sur le fait que les substances à séparer soient non miscibles (dans le cas de liquides) ou qu’une des substances soit insoluble (dans le cas de mélange liquide-solide). Elle repose aussi sur la différence de masse volumique ou de densité entre les deux substances.

Pour le cas d’un mélange solide-liquide, après un certain temps, le solide insoluble se dépose au fond s’il est plus dense ou flotte à la surface s’il est moins dense.

Décantation

L’avantage de cette méthode est qu’elle est facile à réaliser. L’inconvénient est qu’elle est lente et incomplète.

Dans le cas d’un mélange liquide-liquide, on utilise une ampoule à décanter pour récupérer les deux liquides séparés.

Ampoule à décanter

  1. On introduit le mélange dans l’ampoule à décanter (il est déconseillé de faire le mélange directement dans l’ampoule) ;
  2. On ferme le bouchon et on agite. Le robinet doit pointer vers le haut et dans une direction où ne se trouve personne. Il faut ouvrir le robinet (toujours en le pointant vers le haut !) plusieurs fois pour évacuer la surpression dans l’ampoule.
  3. On place l’ampoule à décanter dans son support et on attend quelques minutes que les liquides se séparent.
  4. On enlève le bouchon, on place un récipient sous l’ampoule et on ouvre le robinet. Lorsque le premier liquide est récupéré, on ferme le robinet et on place un autre récipient vide sous l’ampoule pour récupérer le second liquide.

La filtration

La filtration permet de séparer les constituants d’un mélange hétérogène en les faisant passer à travers un filtre.

Le liquide homogène obtenu après une filtration s’appelle un filtrat.

Filtration

La filtration repose sur la différence de taille entre les constituants du mélange.

Au niveau microscopique, le filtre est percé de minuscules trous qui ne laissent passer que les particules qui sont plus petites que la taille de ces trous. Le choix de la taille des trous dépend de ce qu’il faut filtrer (il existe des filtres dont les trous sont si petits qu’il est possible de filtrer des virus). Plus les trous sont petits et plus la filtration est efficace (mais les trous se bouchent plus rapidement et le filtre doit être nettoyé ou changé plus souvent).

Remarque : la filtration peut être accélérée en forcant le mélange à passer plus vite à travers le filtre. Cela peut être fait en augmentant la pression ou en centrifugeant.

La récupération d’un gaz par déplacement d’eau

La méthode de déplacement d’eau permet de récupérer un gaz dissout dans un liquide.

Il s’agit de conduire le gaz qui se libère du mélange vers un récipient retourné rempli d’eau.

Déplacement d’eau

Remarque : on peut accéléré le processus en secouant le mélange ou en diminuant la solubilité du gaz en chauffant le mélange.

La distillation

La distillation permet de séparer les constituants d’un mélange homogène.

Cette méthode se base sur les différences de température d’ébullition des substances à séparer.

Elle nécessite du matériel particulier.

Distillation

  1. L’élévateur permet de retirer le chauffage rapidement en cas d’urgence.
  2. Le chauffe-ballon chauffe le ballon de façon homogène.
  3. Le ballon contient le mélange à séparer. En chauffant, le mélange arrive à ébullition et les vapeurs formées contiennent une plus grande proportion de la substance qui a la température d’ébullition la plus basse.
  4. La colonne sert à créer un équilibre entre les vapeurs qui se refroidissent (et redeviennent liquide) et le liquide qui continue de chauffer (et de se transformer en vapeur). Cela permet d’enrichir de plus en plus les vapeurs avec la substance qui a la température d’ébullition la plus basse jusqu’à ce qu’elle soit pure en haut de la colonne.
  5. La tête de colonne amène les vapeurs pures vers le réfrigérant.
  6. Le thermomètre indique la température des vapeurs dans la tête de colonne. La valeur de la température permet d’identifier la substance contenue dans les vapeurs si on connaît sa température d’ébullition.
  7. Le réfrigérant refroidit les vapeurs pour les transformer en gouttelettes liquides afin de pouvoir les récupérer. De l’eau froide circule dans la double paroi extérieure du réfrigérant (du bas vers le haut). Il en existe plusieurs types, celui du schéma est un réfrigérant à eau droit.
  8. L’allonge coudée dirige les gouttelettes vers l’erlenmeyer.
  9. Les gouttelettes arrivent dans l’erlenmeyer ou un autre récipient.
  10. Le liquide obtenu à la fin de la distillation est pur1 et s’appelle le distillat.

Purification de l’eau

Lorsqu’on essaie de purifier une substance, il est fréquent d’avoir à combiner plusieurs méthodes de séparation et de les effectuer successivement.

Par exemple, pour la purification de l’eau dans une station d’épuration, on réalise :

  • plusieurs filtrations avec des grilles de différentes tailles qui jouent le rôle de filtres. Cela permet d’éliminer les déchets les plus volumineux ;
  • une première décantation pour retirer les huiles et les matières grasses qui vont flotter en surface de l’eau ;
  • une autre décantation pour retirer les matières solides les plus lourdes qui vont se déposer au fond (des boues par exemples) ;
  • une décantation plus poussée pour retirer des particules plus fines ;
  • et d’autres étapes de séparation plus complexes entraînant des modifications chimiques (utilisation de bactéries par exemple).

Notes

  1. Dans certains cas particuliers, le distillat est un mélange des liquides de départ mais dans des proportions bien définies.