Séparation de Mélanges : Filtration d'une Eau Boueuse
Contexte : Obtenir de l'eau limpide lors d'une sortie en nature.
Imaginez que vous êtes en randonnée, vous faites une longue marche en pleine nature sous un soleil de plomb. Votre gourde est vide et la soif commence à se faire sentir. Vous apercevez une rivière en contrebas, mais en vous approchant, vous constatez que l'eau n'est pas claire du tout. Elle est TroubleQui n'est pas clair, qui contient des particules en suspension., chargée de terre, de particules de sable et de débris végétaux emportés par le courant. Boire cette eau telle quelle serait désagréable et potentiellement dangereux. Avant même d'envisager de la désinfecter (par ébullition ou pastilles chimiques) pour tuer les microbes, une première étape physique est indispensable : il faut la débarrasser de toutes ces particules solides visibles. Pour cela, vous décidez de réaliser une FiltrationTechnique de séparation qui permet de séparer les constituants solides d'un mélange liquide hétérogène. à l'aide d'un filtre de fortune (comme un foulard propre, un filtre à café ou des couches de sable fin).
Remarque Pédagogique : Cet exercice est fondamental dans le programme de chimie de 5ème car il aborde concrètement la notion de mélange. Il permet non seulement de revoir le vocabulaire essentiel (mélange homogène/hétérogène, soluté, solvant), mais aussi de comprendre comment on peut séparer physiquement des constituants sans effectuer de transformation chimique (pas de réaction, juste une séparation mécanique). De plus, nous introduirons une première approche mathématique appliquée aux sciences : le calcul de durée basé sur la proportionnalité.
Objectifs Pédagogiques
À la fin de cet exercice, l'élève sera capable de :
- Observer et Décrire : Distinguer sans ambiguïté un mélange homogène (une seule phase visible) d'un mélange hétérogène (plusieurs phases visibles) à l'œil nu.
- Connaître le Matériel : Identifier, nommer et savoir schématiser le matériel de laboratoire spécifique à la filtration (entonnoir, papier filtre, erlenmeyer, bécher, support).
- Maîtriser le Vocabulaire : Utiliser les termes scientifiques précis "filtrat" (le liquide qui traverse) et "résidu" (le solide qui reste) sans les confondre.
- Calculer : Appliquer une règle de proportionnalité simple pour estimer un temps de filtration ou un volume, en manipulant correctement les unités.
Données de l'expérience
En laboratoire, nous reproduisons la situation de la rivière. Vous disposez d'un bécher rempli d'eau boueuse artificielle (un mélange préparé avec de l'eau du robinet, de la terre de jardin et du sable fin). Vous devez verser doucement cette eau dans un entonnoir muni d'un papier filtre plissé. Le liquide s'écoule goutte à goutte dans un erlenmeyer propre placé dessous.
Fiche Technique / Données
| Grandeur Physique | Symbole usuel | Valeur | Unité |
|---|---|---|---|
| Volume d'eau boueuse à filtrer | V | 250 | mL (millilitres) |
| Débit de filtration (Vitesse) | D | 10 | mL/min (millilitres par minute) |
Schéma du montage de filtration
| Grandeur Physique | Symbole usuel | Valeur | Unité |
|---|---|---|---|
| Volume à filtrer | V | 250 | mL (millilitres) |
| Débit de filtration | D | 10 | mL/min |
Questions à traiter
- Quel type de mélange constitue l'eau boueuse ? Justifiez votre réponse.
- Comment appelle-t-on le liquide recueilli dans l'erlenmeyer après filtration ? Expliquez pourquoi il est clair.
- Combien de temps faudra-t-il pour filtrer la totalité des 250 mL ?
- Si on laisse l'expérience tourner pendant 1 heure (60 min), quelle quantité maximale d'eau aurait-on pu filtrer théoriquement ?
Les bases théoriques
Dans la nature, l'eau n'est presque jamais pure (H₂O seule). C'est très souvent un MélangeAssociation de plusieurs substances.. Nous allons voir comment classer ces mélanges et comment séparer leurs constituants.
1. Les types de mélanges
Il est crucial de savoir observer un mélange pour le classer :
- Mélange Homogène : Le mélange est uniforme. On ne distingue pas les différents constituants à l'œil nu. (Exemple : eau salée, eau sucrée, sirop à l'eau, air).
- Mélange Hétérogène : Le mélange n'est pas uniforme. On peut distinguer au moins deux constituants à l'œil nu (solide en suspension, deux liquides non miscibles). (Exemple : eau boueuse, eau + huile, jus d'orange avec pulpe).
2. Principe de la Filtration
La filtration est une technique physique de séparation utilisée pour les mélanges hétérogènes solide-liquide.
Mécanisme "Tamis"
Le filtre (papier, sable, tissu) agit comme une passoire microscopique. Il possède des petits trous appelés pores.
- Les molécules d'eau sont minuscules : elles passent à travers les pores.
- Les particules solides (terre, sable) sont plus grosses que les pores : elles sont bloquées.
3. Notion de Débit (Proportionnalité)
Le débit représente la "vitesse" à laquelle le liquide traverse le filtre. C'est une relation de proportionnalité simple.
Formule de base
Où :
- \(\text{V}\) est le Volume filtré (en \(\text{mL}\) ou \(\text{L}\)).
- \(\text{D}\) est le Débit (en \(\text{mL/min}\)).
- \(\text{t}\) est le temps écoulé (en \(\text{min}\)).
Correction : Séparation de Mélanges : Filtration d'une Eau Boueuse
Question 1 : Quel type de mélange constitue l'eau boueuse ?
Principe
Pour répondre à cette question, il ne faut pas se précipiter. Il faut faire appel à son sens de l'observation scientifique. La classification d'un mélange (homogène ou hétérogène) dépend uniquement de ce que l'on voit à l'œil nu (c'est ce qu'on appelle l'aspect macroscopique). On ne parle pas ici de ce qui se passe au niveau des atomes ou molécules.
Mini-Cours
Définition précise : Un mélange est dit hétérogène si l'on peut distinguer au moins deux de ses constituants différents à l'œil nu. À l'inverse, un mélange est homogène si on ne voit qu'une seule phase liquide ou gazeuse uniforme, comme s'il s'agissait d'un corps pur.
Exemple du quotidien : Imaginez que vous préparez une vinaigrette : l'huile flotte sur le vinaigre, on voit clairement deux liquides distincts, c'est hétérogène. Si vous mettez du sel dans l'eau et que vous mélangez jusqu'à dissolution complète, le sel devient invisible, l'eau reste claire : c'est homogène.
Remarque Pédagogique
C'est une étape cruciale : le choix de la technique de séparation dépend directement de la nature du mélange. Ici, parce que le mélange est hétérogène (solide + liquide), la filtration est possible. On ne filtre pas de l'eau salée (homogène) pour enlever le sel, car le sel dissous passerait à travers le filtre !
Normes
Pas de norme de calcul ici, mais une norme de sécurité importante : en laboratoire, tout échantillon inconnu (même de l'eau boueuse) doit être manipulé avec des gants et des lunettes de protection pour éviter les éclaboussures dans les yeux ou le contact avec des substances irritantes.
Formule(s)
Aucune formule mathématique
Il s'agit d'une observation qualitative basée sur la définition du cours.
Hypothèses
Nous supposons pour cette observation que :
- L'échantillon a été prélevé correctement (il contient bien de la terre visible).
- Il n'a pas reposé trop longtemps sans être agité (sinon une décantation naturelle aurait déjà séparé la terre au fond, laissant de l'eau plus claire au-dessus, ce qui changerait la description).
Donnée(s)
| Substance | État physique | Visibilité |
|---|---|---|
| Eau | Liquide | Visible (phase liquide principale) |
| Terre/Sable | Solide | Visible (particules en suspension) |
Astuces
Moyen mnémotechnique : Hétérogène commence par H comme Huile (l'eau et l'huile ne se mélangent pas, on les voit séparément, c'est hétérogène).
[Situation Initiale] L'Eau Boueuse
Calcul(s)
Analyse Visuelle
On observe attentivement le contenu du bécher. On identifie les composants :
On constate que l'eau est trouble et opaque. On voit distinctement des grains de terre flotter ou couler. Deux phases distinctes sont visibles à l'œil nu, le mélange n'est pas uniforme.
Conclusion
Réflexions
Si l'eau avait été simplement salée (sans sel solide au fond), nous n'aurions vu que du liquide transparent : cela aurait été un mélange homogène. La filtration n'aurait servi à rien dans ce cas.
Points de vigilance
Ne confondez pas "trouble" et "coloré". Un sirop de menthe est vert mais limpide (on voit à travers, la lumière passe), c'est un mélange homogène. L'eau boueuse est trouble (opaque), la lumière ne passe pas bien à cause des particules solides, c'est hétérogène.
Points à Retenir
L'essentiel à mémoriser pour l'évaluation :
- Plusieurs constituants visibles = Hétérogène.
- Un seul constituant visible (tout est mélangé parfaitement) = Homogène.
Le saviez-vous ?
Le lait semble homogène à l'œil nu (il est blanc uniforme), mais si on le regarde au microscope, on voit des milliards de petites gouttelettes de graisse en suspension dans l'eau : c'est une émulsion (un mélange hétérogène microscopique).
FAQ
Est-ce que l'eau du robinet est un mélange ?
Oui, c'est un mélange homogène car elle contient des sels minéraux (calcium, magnésium) et du chlore dissous qui sont parfaitement mélangés et invisibles à l'œil nu.
A vous de jouer
Le jus d'orange avec pulpe est-il homogène ou hétérogène ? (Tapez "homo" ou "hétéro")
📝 Mémo
Hétéro = Différent (on voit les différences). Homo = Pareil (tout est uniforme).
Question 2 : Comment appelle-t-on le liquide recueilli après filtration ?
Principe
Lors de la filtration, le mélange traverse un milieu poreux (le papier filtre) qui agit comme un tamis très fin. C'est une séparation purement mécanique basée sur la différence de taille des particules. Il n'y a pas de réaction chimique.
Mini-Cours
Les particules solides (terre, sable) sont trop grosses pour passer à travers les petits trous (pores) du filtre : elles restent bloquées en haut dans l'entonnoir. C'est ce qu'on appelle le résidu.
Le liquide (eau + substances dissoutes comme le sel ou le calcaire) possède des molécules très petites qui passent au travers : le liquide récupéré en bas est le filtrat.
Remarque Pédagogique
Il est essentiel d'utiliser le vocabulaire scientifique précis (Filtrat) plutôt que des termes vagues comme "eau propre" ou "eau claire". Un filtrat n'est pas forcément de l'eau pure ! S'il y a du sel dissous, il est aussi dans le filtrat.
Normes
En chimie, on nomme toujours les produits issus d'une séparation par leur fonction (Filtrat pour filtration, Distillat pour distillation, Décantat pour décantation).
Formule(s)
Schéma logique de la transformation
Hypothèses
On suppose que le filtre n'est pas percé (sinon la boue passe !), qu'il est bien placé dans l'entonnoir et qu'il est adapté à la taille des grains de sable (porosité suffisante).
Donnée(s)
| Composant | Rôle | Localisation finale |
|---|---|---|
| Papier filtre | Barrière poreuse | Entonnoir (contient le Résidu) |
| Eau | Passe à travers | Erlenmeyer (devient le Filtrat) |
Astuces
Moyen mnémotechnique : Filtrat commence par F comme "Fini" (le produit fini en bas) ou "Filtre" (ce qui a réussi à passer le filtre).
[Schéma] Le Processus
Calcul(s)
Identification
On identifie les deux parties séparées par l'opération :
[Résultat] Le Filtrat
Réflexions
Le filtrat obtenu est limpide, on voit à travers. C'est donc devenu un mélange homogène. Cependant, il contient encore des sels minéraux dissous que le filtre n'a pas pu arrêter (car les molécules sont trop petites).
Points de vigilance
Danger : Ne croyez jamais que le filtrat est potable simplement parce qu'il est clair ! Il peut contenir des bactéries microscopiques (plus petites que les pores du papier) ou des produits chimiques dissous toxiques invisibles.
Points à Retenir
L'essentiel à mémoriser :
- Solide retenu dans le filtre = Résidu.
- Liquide passé dans le bécher = Filtrat.
Le saviez-vous ?
Le café que vous buvez le matin est un filtrat ! Le marc de café (la poudre mouillée) est le résidu qui reste dans le filtre de la machine. L'eau chaude a dissous les arômes et traversé le filtre.
FAQ
Peut-on boire le filtrat d'une eau boueuse ?
Non, jamais ! En chimie, on ne goûte rien. Même si l'eau paraît claire, elle peut être polluée chimiquement ou biologiquement. Il faudrait la distiller ou la traiter chimiquement pour la boire.
A vous de jouer
Si je filtre des pâtes avec une passoire, l'eau qui tombe dans l'évier est-elle le filtrat ou le résidu ? (Tapez votre réponse)
📝 Mémo
Filtrat = Liquide final (Filtré). Résidu = Solide Restant (Reste).
Question 3 : Calcul du temps de filtration
Principe
Nous cherchons une durée (un temps). C'est un problème mathématique de proportionnalité appliqué à la chimie : si une certaine quantité passe en une minute, combien de minutes faut-il pour que tout le volume passe ?
Mini-Cours
La relation fondamentale lie le Volume (\(\text{V}\)), le Débit (\(\text{D}\)) et le Temps (\(\text{t}\)) : \[ \text{V} = \text{D} \times \text{t} \] Cela signifie : "Le volume total est égal à la vitesse d'écoulement multipliée par le temps écoulé". C'est exactement la même logique que "Distance = Vitesse x Temps".
Remarque Pédagogique
Pour trouver le temps (\(\text{t}\)), il faut isoler \(\text{t}\) dans l'équation. C'est comme chercher "Combien de fois 10 rentre dans 250 ?". L'opération mathématique à faire est donc une division.
Normes
Vérifions les unités pour être cohérents :
- Le Volume est en mL.
- Le Débit est en mL/min.
-> Le temps sera donc forcément en min.
Formule(s)
Manipulation de la formule
On part de la formule de base et on la transforme pour isoler \(\text{t}\) :
Hypothèses
Pour que le calcul soit juste, nous posons les hypothèses suivantes :
- Le débit est constant tout au long de l'expérience (le filtre ne se bouche pas au fur et à mesure, ce qui ralentirait le processus).
- Il n'y a pas de perte de liquide (pas d'évaporation significative, pas d'eau renversée).
Donnée(s)
| Paramètre | Symbole | Valeur | Unité |
|---|---|---|---|
| Volume à filtrer (Numérateur) | V | 250 | mL |
| Débit (Dénominateur) | D | 10 | mL/min |
Astuces
Astuce de calcul mental : Diviser par 10 est très facile : cela revient simplement à barrer le dernier zéro ou à décaler la virgule d'un rang vers la gauche. \(250 / 10 = 25\).
[Situation] Données du Problème
Calcul(s)
Application Numérique Détaillée
Nous utilisons la formule transformée \( \text{t} = \frac{\text{V}}{\text{D}} \). Pour ce faire, nous remplaçons la lettre \( \text{V} \) par le volume total à filtrer (250) et la lettre \( \text{D} \) par la valeur du débit (10). On pose la division :
Le résultat mathématique est 25. Comme le débit était exprimé par minute (\(\text{mL/min}\)), l'unité de temps finale est donc logiquement la minute.
Vérification : Si on filtre 10 mL chaque minute, au bout de 25 minutes, on aura bien filtré \( 25 \times 10 = 250 \text{ mL} \). Le compte est bon !
[Résultat] Durée Totale
Réflexions
25 minutes, c'est presque la moitié d'une heure. C'est long ! Cela montre que la filtration gravitaire est un processus lent. C'est pourquoi en classe, on lance souvent la filtration en début de séance pour avoir le temps de voir le résultat.
Points de vigilance
Ne jamais inverser le numérateur et le dénominateur ! Si vous faites \(10 / 250\), vous trouverez \(0,04\) minute, ce qui est impossible pour filtrer un grand verre d'eau. Un temps très court doit vous alerter.
Points à Retenir
Pour trouver un Temps, on divise la Quantité par la Vitesse.
Le saviez-vous ?
Dans l'industrie chimique, pour aller plus vite, on utilise des pompes à vide ("filtration sous vide" ou Büchner). Cela aspire le liquide à travers le filtre et augmente énormément le débit.
FAQ
Et si le filtre se bouche ?
Dans la réalité, le débit (\(\text{D}\)) diminuerait au cours du temps (car la boue bouche les pores), et le temps total (\(\text{t}\)) serait donc plus long que 25 minutes. Notre calcul est une estimation théorique idéale.
A vous de jouer
Si on avait 500 mL à filtrer avec le même débit, combien de temps cela prendrait-il ? (500 / 10 = ?)
📝 Mémo
Temps = Volume / Vitesse.
Question 4 : Quantité filtrée en 1 heure
Principe
Nous cherchons maintenant un Volume (\(\text{V}\)). On connait le temps (\(\text{t}\)) et la vitesse (\(\text{D}\)). Si l'eau coule à une certaine vitesse pendant un certain temps, les quantités s'accumulent. C'est une accumulation.
Mini-Cours
On utilise la formule de base sans la modifier. C'est une multiplication logique : \[ \text{Volume Total} = \text{Vitesse par minute} \times \text{Nombre de minutes} \]
Remarque Pédagogique
Piège des unités ! Le débit est en minutes, mais le temps est donné en heures. On ne peut pas mélanger des pommes et des bananes : il faut convertir l'heure en minutes avant de calculer.
Normes
En sciences, on convertit toujours vers l'unité de référence donnée par la constante (ici le débit en mL/min impose l'usage de la minute).
Formule(s)
Formule directe
Calcul du Volume
Hypothèses
On suppose que nous avons une réserve d'eau boueuse illimitée (le bécher est re-rempli régulièrement) et que l'erlenmeyer de récupération est assez grand pour ne pas déborder.
Donnée(s)
| Paramètre | Symbole | Valeur brute | Valeur convertie |
|---|---|---|---|
| Temps | t | 1 heure | 60 min |
| Débit | D | 10 mL/min | 10 mL/min |
Astuces
Multiplier par 10, c'est facile : on ajoute un zéro à la fin du nombre ! \(60 \times 10 = 600\).
[Situation] Le Facteur Temps
Calcul(s)
Étape 1 : Conversion Indispensable
Le débit parle de "minutes". On convertit donc l'heure :
Nous utiliserons donc la valeur \(\text{t} = 60\) pour la suite du calcul.
Étape 2 : Application de la formule
Nous cherchons le volume \(\text{V}\). Nous appliquons la formule \(\text{V} = \text{D} \times \text{t}\) en remplaçant le débit \(\text{D}\) par 10 et le temps \(\text{t}\) par 60. On multiplie le débit par le temps :
Nous obtenons 600. Quelle est l'unité ? Comme le débit était en mL/min, le volume final est tout simplement en \(\text{mL}\) (millilitres).
[Résultat] Volume Obtenu
Réflexions
600 mL correspond à un peu plus d'une demi-bouteille d'eau minérale classique (1L ou 1,5L). C'est une quantité significative pour une filtration manuelle goutte à goutte.
Points de vigilance
Erreur classique : Faire \(10 \times 1 = 10\). Cela signifierait qu'en une heure, on filtre autant qu'en une minute ! C'est illogique. Vérifiez toujours la cohérence.
Points à Retenir
Pour trouver un Volume, on multiplie la Vitesse par le Temps (exprimé dans la bonne unité).
Le saviez-vous ?
1 Litre d'eau pèse exactement 1 kg. Donc 600 mL d'eau pèsent 600 g (0,6 kg). C'est lourd à porter en randonnée !
FAQ
Puis-je écrire le résultat en Litres ?
Oui, pour convertir des mL en L, on divise par 1000 (car milli = millième). Donc \( 600 \text{ mL} = 0,6 \text{ L} \). C'est tout à fait correct.
A vous de jouer
Convertissez ce volume (600 mL) en Litres.
📝 Mémo
Volume = Vitesse x Temps (après conversion !).
Bilan : Le Montage de Filtration
Ce schéma résume les termes essentiels à connaître en 5ème.
📝 Grand Mémo : Ce qu'il faut retenir
-
👀
Mélange Hétérogène : On voit les constituants à l'œil nu (ex: eau + terre, eau + huile). On distingue plusieurs phases.
-
🧪
Filtration : Technique idéale pour séparer un solide en suspension d'un liquide. Elle ne fonctionne pas pour les solides dissous (comme le sel).
-
💧
Filtrat : Le liquide limpide obtenu après la filtration (mélange homogène). Il n'est pas forcément pur ni potable.
-
⏳
Proportionnalité : Volume filtré = Débit × Temps. Attention de toujours convertir le temps en minutes avant de calculer !
🎛️ Simulateur : Vitesse de Filtration
Voyons comment le volume filtré augmente avec le temps en fonction du débit de votre filtre.
Paramètres
📝 Quiz final : Avez-vous tout compris ?
1. Quel adjectif qualifie une eau boueuse ?
2. Comment s'appelle le solide qui reste dans le filtre ?
📚 Glossaire 5ème
- Mélange
- Substance composée de plusieurs constituants différents.
- Homogène
- Mélange dont on ne distingue pas les constituants à l'œil nu.
- Hétérogène
- Mélange dont on distingue au moins deux constituants à l'œil nu.
- Filtrat
- Liquide recueilli après une filtration.
- Résidu
- Solide retenu par le filtre.
Le Saviez-vous ?
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