Séparer un solide d'un liquide est l'une des opérations les plus courantes de toute la chimie appliquée. Les stations de traitement des eaux laissent décanter les sédiments de l'eau brute avant de filtrer ce qui reste ; les opérations minières décantent et filtrent d'énormes volumes pour récupérer des minéraux précieux ; et dans l'industrie pharmaceutique, presque chaque synthèse se termine par un précipité qui doit être proprement séparé de la solution qui l'a produit. Les deux techniques utilisées partout pour cette tâche sont celles de ce laboratoire : la décantation et la filtration.
Toutes deux exploitent les différences physiques entre les phases d'un mélange hétérogène, de sorte qu'aucune ne modifie l'identité chimique de quoi que ce soit. La décantation utilise la densité : un solide en suspension plus dense que le liquide se dépose sous l'effet de la gravité et, une fois qu'il s'est accumulé au fond, le liquide situé au-dessus — le surnageant — peut simplement être versé. La filtration utilise la taille des particules : les molécules de liquide passent librement à travers les pores microscopiques d'un filtre en papier, tandis que les particules solides, énormément plus grandes, sont retenues.
Dans ce laboratoire, vous séparerez un mélange d'hydroxyde de cobalt (II) et d'eau en deux étapes — d'abord en décantant le mélange sédimenté, puis en filtrant le dépôt restant — et vous constaterez par vous-même pourquoi les deux méthodes sont utilisées en séquence plutôt que seules.
Objectifs Éducatifs
Familiarisation avec l'environnement du laboratoire
- Identifiez la disposition et l'équipement du laboratoire de séparation, y compris les béchers, l'entonnoir et le filtre, ainsi que l'Erlenmeyer de 250 mL.
Manipulation minutieuse de liquides et de suspensions
- Verser un surnageant doucement et en continu, sans incliner le bécher au point d'entraîner le solide sédimenté.
- Transférer un mélange sur un filtre assez lentement pour qu'il ne déborde pas ou ne contourne pas le papier.
Maîtrise du vocabulaire de la séparation
- Utilisez correctement les termes mélange hétérogène, dépôt, surnageant, filtrat et résidu en rattachant chacun à la chose observée dans l'expérience.
Comprendre le principe derrière chaque technique
- La décantation est un processus basé sur la différence de densité, où les substances les plus denses se déposent au fond par gravité (sédimentation), permettant de séparer les liquides des solides ou les liquides non miscibles. En revanche, la filtration sépare les composants en fonction de la taille, en utilisant un milieu poreux qui retient les particules insolubles plus grandes tout en laissant passer les molécules et les petites particules en solution.
- Expliquez pourquoi aucune des deux techniques ne fonctionnerait sur une substance dissous, et nommez le type de technique qui le ferait.
Méthodes de séparation par séquençage
- Justifiez pourquoi la décantation est effectuée en premier et la filtration en second, et évaluez ce que chaque méthode seule aurait laissé derrière elle.
Protocole
Le but de ce laboratoire est de séparer les constituants d'un mélange d'hydroxyde de cobalt (II) et d'eau.
PARTIE 1 : Décantation
Cette méthode permet de réaliser une première séparation, car l'hydroxyde de cobalt (II) (Co(OH)2) n'est pas soluble dans l'eau.
- Une solution aqueuse avec un dépôt d'hydroxyde de cobalt (II) a reposé pendant au moins 5 minutes (bécher Co(OH)2).
- Versez doucement la partie liquide (eau) du mélange dans un deuxième bécher (bécher 2).
Ne pas pencher trop le bécher pour éviter que les particules solides ne tombent dans le bécher 2.
- Quitter le bécher Co(OH)2 contenant l'hydroxyde de cobalt pour le laisser reposer sur le comptoir. L'eau résiduelle peut s'évaporer.
Ceci est la première méthode de séparation (la décantation).
PARTIE 2 : Filtration
- Remplir le bécher Co(OH)2 qui contient le dépôt d'hydroxyde de cobalt (II) jusqu'à 100 mL avec de l'eau distillée.
- Fixez l'entonnoir sur le dessus du ballon Erlenmeyer de 250 mL.
- Insérez le filtre dans l'entonnoir.
- Versez lentement le mélange contenu dans le bécher Co(OH)2 sur la partie épaisse du filtre.
- Laissez passer le mélange à travers le filtre.
- Le liquide obtenu est appelé le filtrat
- La partie solide restante dans le filtre est le résidu
- Ceci est une deuxième méthode de séparation (filtration)
Résultats attendus
Résultats attendus. Le mélange se sépare nettement en ses deux constituants : l'eau, récupérée d'abord sous forme de surnageant décanté puis de filtrat, et l'hydroxyde de cobalt (II) solide, récupéré sous forme de résidu rose sur le papier filtre.
| Technique | Propriété physique exploitée | Ce que vous devez observer | Limitation |
|---|---|---|---|
| Décantation | densité — le solide se dépose sous le liquide | la majeure partie de l'eau s'écoule claire, laissant le dépôt rose derrière | certaines fines particules sont entraînées dans le bécher 2 ; une partie de l'eau reste avec le solide |
| Filtration | taille des particules — le solide ne peut pas passer à travers les pores du filtre | un filtrat limpide se rassemble dans le fiole d'Erlenmeyer ; le résidu rose reste sur le papier | lent pour les grands volumes ; le résidu conserve un peu de liquide jusqu'à ce qu'il soit séché |
Pourquoi le mélange peut-il être séparé. Hydroxyde de cobalt (II), Co(OH)22, est pratiquement insoluble dans l'eau — sa solubilité à l'équilibre est de l'ordre d'un milligramme par litre. Presque la totalité reste donc sous forme de particules solides distinctes en suspension dans l'eau, sans y être dissoute : un mélange hétérogène. Les deux phases conservant leurs propres identités, des différences physiques entre elles — masse volumique, taille des particules — peuvent être utilisées pour les séparer. Aucune réaction chimique n'intervient, et aucune nouvelle substance n'est formée à aucun moment.
Pourquoi le décantage fonctionne et pourquoi il est imparfait. Les particules solides sont plus denses que l'eau, de sorte que sous l'effet de la gravité, elles se déposent au fond du béquet — le repos de cinq minutes prévu dans le protocole existe pour leur donner le temps de le faire. Le liquide clair au-dessus peut alors être versé. Mais la décantation n'est jamais parfaite : les particules les plus fines coulent extrêmement lentement, car la traînée ressentie par une particule augmente par rapport à son poids lorsqu'elle devient plus petite. Incliner trop le béquet remobilise également le dépôt. La décantation élimine donc la majeure partie du liquide rapidement et à moindre coût, au prix d'une séparation imparfaite entre les phases.
Pourquoi la filtration termine le travail. Un filtre en papier est un matelas de fibres de cellulose dont les pores mesurent quelques micromètres de diamètre. Les molécules d'eau, des milliers de fois plus petites, passent sans encombre, tandis que les particules solides sont retenues. Le liquide qui traverse est appelé le filtrer; le solide retenu sur le papier est le résidu. La filtration permet une séparation beaucoup plus nette que la décantation, mais elle est plus lente — c'est pourquoi le protocole commence par décanter et ne filtre que le résidu concentré.
Résumé du devoir par tranche d'âge
Classe de 3e à la 2de
- Focalisation les mélanges peuvent être séparés par leurs propriétés physiques, et le vocabulaire de la séparation.
- Activités : effectuez la décantation et la filtration en suivant le protocole ; identifiez par leur nom le dépôt, le surnageant, le filtrat et le résidu au fur et à mesure de leur apparition ; indiquez quel constituant du mélange représente chaque fraction récupérée ; décrivez ce qui a été laissé par chaque méthode.
11e année
- Focalisation les principes physiques — la densité, la sédimentation et la taille des particules — qui sous-tendent les techniques.
- Activités : Le mélange doit reposer avant la décantation pour permettre aux particules solides de se déposer au fond sous l'effet de la gravité. Les fines particules se sédimentent lentement en raison de leur petite taille et de leur faible masse, ce qui les rend plus sensibles aux mouvements du liquide et aux forces de frottement, et elles subissent davantage le mouvement brownien. La filtration fonctionne en fonction de la taille des pores du filtre par rapport à la taille des particules : si les particules sont plus grandes que les pores du filtre, elles sont retenues ; si elles sont plus petites, elles passent à travers. L'ordre des opérations (décantation puis filtration) se justifie par le fait que la décantation élimine la majeure partie des gros solides, ce qui évite de saturer ou de colmater rapidement le filtre lors de l'étape de filtration ultérieure. Si le mélange était filtré directement sans décantation, le filtre se boucherait presque instantanément en raison de la grande quantité de particules en suspension, ce qui rendrait le processus de filtration extrêmement lent, voire impossible.
12e année / Niveau universitaire
- Focalisation choisir et évaluer des méthodes de séparation.
- Activités : classifier le mélange et justifier pourquoi la séparation physique s'applique, en faisant référence à l'insolubilité de Co(OH)₂2; évaluer la pureté de chaque fraction récupérée et identifier où se produisent les pertes ; proposer la manière dont le solide récupéré pourrait être séché et le bilan massique vérifié ; déterminer quelles techniques de séparation seraient nécessaires si le solide était soluble, et pourquoi.
Essentiels de laboratoire
Instruments
- Béchers (100 ml)
- Erlenmeyer (250 ml)
- Entonnoir
- Filtre entonnoir
Produits
- Hydroxyde de cobalt (II)
- Eau distillée