Mélanges et solutions

Séparation des constituants de mélanges
samedi 19 juillet 2008
par  Olivier
popularité : 27%

Vanessa, Maria Justine, Véra, Fanny, Stéphanie, Anne-Marie, Ema, Martha, Varincka, Jacqueline, Marie-Dorothée, Jean-François, Marie-Anne, Lucynda et moi même tenons à remercier Mme Isabelle STENTZ ainsi que ses élèves de CM1 de l’école St Joseph de Cluny pour leur participation à cette séance.

Domaine travaillé : Sciences expérimentales et technologies

Compétences possibles :
Etre capable de :

  • poser des questions précises et cohérentes à propos d’une situation d’observation ou d’expérience,
  • imaginer et réaliser un dispositif expérimental susceptible de répondre aux questions que l’on se pose, en s’appuyant sur des observations, des mesures appropriées ou un schéma,
  • mettre en relation des données, en faire une représentation schématique et l’interpréter, mettre en relation des observations réalisées en classe et des savoirs que l’on trouve dans une documentation,
  • rédiger un compte rendu intégrant schéma d’expérience ou dessin d’observation et les conserver dans le dossier ou cahier d’expériences

Avoir compris et retenu :

  • la conservation de la matière dans les changements d’état de l’eau, les mélanges et la dissolution, la matérialité ; de l’air

Objectifs possibles :
Objectifs procéduraux :

  • suivre un protocole d’expérience : décantation & filtration...
  • reformuler le problème : savoir ce que l’on cherche.
  • mettre en relation protocole, problème et hypothèses.
  • Interpréter les résultats d’expériences.
  • produire une trace écrite de l’expérience.

Objectifs déclaratifs :

  • être capable de caractériser la solubilité en utilisant un vocabulaire précis : soluble, non soluble, mélange homogène et le mélange hétérogène, suspension
  • être capable d’expliquer la notion de seuil de saturation
  • être capable d’expliquer la notion de conservation de la matière lors de mélanges.
  • être capable d’expliquer le caractère réversible des changements d’états.
  • être capable d’expliquer les conditions de changements d’état de l’eau.

Durée de l’activité : 60 minutes

Question scientifique constituant l’axe central de la séance :
Une fois des mélanges homogènes et/ou hétérogènes constitués peut-on revenir en arrière, à savoir séparer les composés initiaux ?

Organisation humaine et matérielle : 4 groupes pour 4 procédures de séparation.

Groupe 1 : mélange homogène eau-sel.

Groupe 2 :mélange homogène eau-sucre.

Groupe 3 : mélange hétérogène eau-huile.

Groupe 4 : mélange hétérogène eau-sable, eau-terre

 

Déroulement

Rappel de la séance précédante

Rappel

 

La phase de questionnement :

Question scientifique de départ

 

Groupe 1 : mélange homogène eau-sel.


A partir d’un mélange homogène eau-sel, les enfants trouvent facilement que pour séparer le sel de l’eau, il faut faire évaporer cette dernière.

Deux possibilités s’offrent en général :

  • Soit on compte sur une évaporation naturelle de l’eau en plusieurs jours en disposant le mélange dans un grand cristallisoir placé près d’une fenêtre.
  • Soit on provoque une évaporation accélérée par chauffage.

  • C’est cette option qui a été retenue pour l’expérimentation avec comme solution technique, le four à micro-ondes. La solution salée est placée dans le micro-ondes pendant quelques minutes selon le volume à traiter. L’eau sera chauffée et s’évapora progressivement. Bien avant que l’eau s’évapore complètement, des cristaux de sel se forment dans le fond du récipient. Ce phénomène est dû à l’augmentation de la concentration en sel par diminution de la quantité d’eau dans la solution. Ainsi le seuil de saturation [*] en sel est dépassé. A partir de là, on peut soit filtrer la solution pour récupérer les cristaux de sel, soit poursuivre jusqu’à l’évaporation de toute l’eau.

     

     

     

     

    Groupe 2 : mélange homogène eau-sucre

    D’emblée, on serait amené à utiliser le protocole précédent (avec le micro-onde) pour récupérer le sucre dissout. Le principale problème avec l’utilisation d’une "forte source" de chaleur est la transformation du sucre en caramel.
    Le principe de physique sur lequel on se basera, sera de partir d’une solution quasi-saturée en sucre que l’on va chauffer à petit feu afin de diminuer le volume d’eau par évaporation. Néanmoins, il ne faut pas escompter voir apparaître les cristaux de sucre se former parce que le seuil de saturation
    du sucre serait dépassé. il n’en est rien car la solubilité du sucre dans l’eau s’accroît en fonction de la température. Autrement dit le seuil de saturation, varie avec la température. Grosso modo on peut dissoudre deux fois la masse de sucre à 80°C qu’à 20°C. Une fois qu’une portion d’eau suffisante eu été évaporée, il faut refroidir le mélange dans un bain d’eau glacée, pour que le seuil de saturation du sucre diminue et soit enfin franchi. Des cristaux apparaissent alors au fond et seront récupérés par filtration. Attention seule une faible partie du sucre dissout peut être récupéré de la sorte.

    Evaporation forcée de l’eau
    Augmentation de la concentration en sucre

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    Groupe 3 : mélange hétérogène eau-huile

    La séparation, dans le cas d’un mélange hétérogène eau - huile ne peut pas se faire par filtration. On peut séparer ces deux liquides en jouant soit sur les positions respectives des liquides soit sur les températures de solidification. Dans ce deuxième cas de figure le principe est similaire à celui de la distillation à la différence prés que l’on ne joue pas sur les points d’évaporation des corps constituants, mais sur leur point de congélation. Ici le choix de l’huile est déterminant. En effet suivant le type d’huile employée les températures de congélation de certains de leur composés peuvent être basses (par exemple l’acide linoléique à son point de fusion à -12°C). Les huiles végétales sont en réalité des mélanges homogènes d’acides gras. Nous avons choisi dans notre expérience de l’huile de coco ou huile de coprah car à température ambiante cette huile est quasi figée. En premier lieu il convient de la réchauffer un peu au micro-onde pour qu’elle soit totalement liquide. On procède alors à son assemblage avec l’eau afin d’obtenir un mélange hétérogène eau -huile classique. Ce mélange va être placé dans un milieu réfrigérant (glace, eau, gros sel) afin de figer rapidement l’huile de coprah qui formera un bloc solide surnageant dessus l’eau (encore liquide), bloc qui pourra être récupérer à la main par les enfants. La différence des points de solidification de l’eau et de cette huile est d’au moins 20°C. Quant à l’eau elle sera encore liquide pour des températures supérieures à 0°C.

    Séparation eau-huile
    L’abaissement de la température à solidifié l’huile.

     

     

     

     

     

     

     

    Groupe 4 : mélange hétérogène eau-sable

    Le problème scientifique pour ce groupe est de séparer les composés initiaux de deux sortes mélanges hétérogènes : eau-sable et eau-terre. Le procédé retenu pour les deux mélanges est la filtration. Néanmoins la nature du sable et de la terre n’implique pas les mêmes contraintes techniques. Le sable de granulométrie millimétrique peut être séparé par filtration à l’aide d’un filtre à café dont la porosité est suffisamment fine pour laisser passer l’eau et retenir le sable. Ainsi l’eau récupérée est claire et sans particule en suspension.
    Pour la terre le filtre à café ne suffit pas à retenir l’ensemble des particules terrigènes. Les plus grosses sont arrêtées par le filtre mais de nombreuses autres infra-millimétriques passent est contribuent à colorer en marron l’eau récupérée. Un filtre de plusieurs couches de sables de granulométrie décroissante est constitué. Ce dispositif donne de meilleurs résultats, mais des traces de coloration persistent dans l’eau récupérée. Les implications de cette expérience sont nombreuses. Les enfants peuvent se rendre compte du mécanisme naturel de filtration des eaux de pluie. Ils peuvent mettre en relation cette expérience avec les dispositifs techniques utilisés dans les stations d’épuration.

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    Phase de bilan

    Cette phase permet aux élèves de chaque groupe de présenter leur expérimentation, c’est-à-dire ce qu’ils cherchent, ce qu’ils ont mis en œuvre et ce qu’ils en concluent. La présentation est une étape importante car elle sert tant à informer les différents groupes de leurs travaux respectifs que de permettre la reformulation par ces derniers de ce qu’ils ont fait. Ainsi cette phase concoure à la conceptualisation inhérente à la construction des savoirs.
    Rappel : la question se posant ici, est de savoir une fois les mélanges homogènes et/ou hétérogènes constitués si l’on peut revenir en arrière, à savoir séparer les composés initiaux.
    Les différentes expériences nous amènent à répondre positivement à cette question, mais à des degrés divers sur le plan qualitatif. Chacune des expériences à permis de séparer au moins pour partie les composés initiaux. En effet :

    • Avec l’expérience de l’eau sucrée, la récupération du sucre reste partielle. La méthode employée n’autorise pas une séparation totale, car il restera toujours une certaine quantité de sucre dans l’eau récupérée. Un point de vigilance est à avoir au sujet de la conservation de la matière. La quantité de sucre récupérable par cette méthode est inférieure à la quantité dissoute initialement. Cette expérience pourrait constituer un écueil à la construction de ce concept de conservation. D’autres expériences sont plus propices à une telle démonstration.
    • Avec l’expérience de l’eau salée, la récupération du sel est totale alors qu’elle est plus problématique avec l’eau. Le dispositif employé provoque l’évaporation de l’eau dans l’atmosphère ambiante ce qui rend sa récupération impossible en l’état. Seule une modification du dispositif expérimental vers l’ajout d’une possibilité de phase de condensation permettrait de récupérer l’eau. Cette expérience est porteuse pour la construction du concept de permanence de la matière (conservation).
    • Avec l’expérience de l’eau-sable, la récupération des composés initiaux est totale. Avec la terre, la récupération de l’eau reste possible, mais les composés terrigènes ne sont pas totalement récupérables car retenus dans les différentes couches du filtre sableux. Cette expérience pourrait constituer un écueil à la construction de ce concept de conservation.
    • Avec l’expérience eau-huile, la récupération des composés initiaux est totale. Cette expérience est porteuse pour la construction du concept de permanence de la matière (conservation).

     

     

     

     

    Bilan des différentes expériences

    [*En chimie des solutions, la saturation est la concentration à partir de laquelle une substance ne peut se dissoudre dans un solvant. Ce point de saturation dépend de la température, et de la nature du solvant et du soluté. Cette dépendance est utilisé dans la procédure de recristallisation pour la purification des composés chimiques.


    Documents joints

    Flash Video - 2.1 Mo
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    Commentaires  forum ferme

    Logo de Hélène M.
    lundi 28 juillet 2008 à 20h35 - par  Hélène M.

    Quelle expérience géniale !! vous vous êtes sûrement régalés !
    Et puis, Olivier, le site, les vidéos ... excellent ! Merci, ça donne des idées !
    bises à tous Hélène

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