Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre comment séparer des mélanges par filtration et cristallisation, choisir l’appareil approprié et déterminer quand il doit être utilisé.
Dans le laboratoire de chimie, nous avons souvent besoin de séparer un mélange ou de purifier une substance. Il y a une variété de techniques que nous pouvons utiliser. Certaines techniques sont appropriées pour séparer certains mélanges et purifier certaines substances. D’autres techniques sont plus appropriées pour séparer complètement différents types de mélanges et pour purifier complètement différents types de substances. La technique de filtration est idéale pour séparer des mélanges qui contiennent à la fois un solide insoluble et un liquide. La technique de filtration peut être utilisée pour séparer un mélange de sable et d’eau.
La filtration est réalisée en versant un mélange sur une feuille poreuse de papier-filtre. Le morceau de papier-filtre poreux doit être placé dans un entonnoir. La technique de filtration sépare les substances solides et liquides en fonction de la taille de leurs particules. Les molécules liquides et les ions dissous sont très petits et peuvent passer à travers le papier-filtre, contrairement aux particules solides. Le liquide qui passe à travers le papier-filtre est appelé filtrat, et le solide qui reste dans le papier-filtre est appelé résidu.
Il y a deux méthodes de filtration. Chacune a ses propres avantages et inconvénients. Le premier type de filtration est la filtration par gravité, une méthode plutôt utilisée quand il y a une grande quantité de mélange à séparer. La méthode de filtration par gravité est également plutôt utilisée lorsque nous voulons recueillir le filtrat et lorsque le mélange doit être filtré pendant qu’il est chaud.
Des expériences de filtration par gravité peuvent être effectuées en tenant un entonnoir au-dessus d’un erlenmeyer avec un anneau en fer ou une pince.
Nous devons utiliser un entonnoir sans tige si nous filtrons un mélange chaud car des cristaux peuvent se former dans la tige, ce qui pourrait empêcher les processus de filtration.
Des morceaux de papier-filtre sont toujours placés dans l’entonnoir avant que les mélanges ne soient filtrés. Le papier-filtre peut être plié en forme de cône ou cannelé avant d’être placé dans un entonnoir.
Il y a des différences évidentes entre les morceaux de papier-filtre coniques et cannelés. Les chimistes ont tendance à utiliser des morceaux de papier-filtre cannelés pour des expériences de filtration par gravité, car ils fournissent une plus grande surface à travers laquelle le solvant peut s’infiltrer. Des morceaux de papier-filtre cannelés accélèrent les processus de filtration.
Une fois que le papier-filtre a été ajouté à l’entonnoir, le mélange doit être agité afin que les particules solides soient dispersées à travers le liquide. Cela permettra au solide d’être versé plus facilement, en empêchant les particules solides de rester collées au fond de la verrerie.
On peut ensuite verser le mélange dans le papier-filtre. Nous devons verser lentement pour éviter l’éclaboussement et/ou le débordement du papier-filtre. Il est important que le mélange soit versé au centre des parties cannelées du papier-filtre. Le mélange ne doit pas être versé entre le papier-filtre et l’entonnoir.
Le résidu solide restera sur le papier-filtre et le filtrat passera à travers.
Comment : Effectuer une filtration par gravité
- Placez un entonnoir au-dessus d’une fiole Erlenmeyer.
- Pliez un morceau de papier-filtre et placez-le dans l’entonnoir.
- Agitez le flacon contenant le mélange à filtrer.
- Versez lentement le mélange dans le papier-filtre plié.
- Laissez le filtrat s’égoutter et répétez l’opération jusqu’à ce que tout le mélange soit séparé.
Exemple 1: Identifier les termes donnés au solide et au liquide lors de la filtration
La figure ci-dessous montre le montage expérimental de filtration.
- Quel est le nom du solide qui reste dans le papier-filtre ?
- Quel est le nom du liquide qui passe à travers le papier-filtre ?
Réponse
Partie 1
La filtration est la technique consistant à séparer un solide insoluble et un liquide en versant le mélange dans un papier-filtre. Le solide qui reste dans le papier-filtre est appelé résidu.
Partie 2
Le liquide qui passe à travers le papier-filtre est appelé filtrat.
Le deuxième type de filtration est la filtration sous vide, une méthode utilisée quand nous voulons recueillir tout le solide et quand il y a une quantité relativement petite de mélange à séparer. Les entonnoirs Büchner sont utilisés pour la filtration sous vide. Un entonnoir Büchner remplit les mêmes fonctions qu’un entonnoir à tige. Les principales différences sont qu’un entonnoir Büchner est plutôt en céramique au lieu de verre et qu’il contient à l’intérieur un fond plat avec de nombreux trous.
Un morceau circulaire de papier-filtre doit être placé sur la plaque plane pour couvrir tous les trous. Le papier-filtre doit avoir le même diamètre que l’entonnoir Büchner. Le papier-filtre doit être plat et ne doit pas être froissé à aucun endroit de la surface de l’entonnoir. Nous pouvons nous assurer que le papier-filtre est complètement étendu au-dessus des trous en mouillant le papier avec un peu de solvant.
Nous aurons aussi besoin d’une fiole Büchner, appelée aussi fiole à vide.
Un tuyau à paroi épaisse peut être attaché au bras de la fiole. L’autre extrémité du tube est fixée à une ligne de vide ou à un aspirateur. L’entonnoir Büchner doit être fixé à la fiole Büchner à l’aide d’un bouchon en caoutchouc, d’un anneau ou d’un joint d’étanchéité.
Lorsque le joint est hermétique et que le vide est appliqué, l’entonnoir Büchner subit une forte aspiration. Une fois le vide est appliqué, nous pouvons alors verser notre mélange remué sur le papier-filtre. Le liquide sera aspiré dans la fiole Büchner, laissant la matière solide sur le papier-filtre. Cette méthode est beaucoup plus rapide, pour séparer les mélanges, que la technique de filtration par gravité, car elle repose sur des forces d’aspiration très fortes au lieu de la faible force gravitationnelle.
Lors de la filtration sous vide, nous devons nous assurer que le montage est solidement fixé en serrant le col de la fiole Büchner. Nous devons également veiller à ne pas trop faire déborder la fiole Büchner. Si le liquide dans la fiole Büchner atteint la sortie d’aspiration, il serait aspiré dans la ligne à vide.
Comment : Effectuer une filtration sous vide
- Placez un joint d’étanchéité et un entonnoir Büchner dans une fiole Büchner.
- Placez une feuille de papier-filtre du même diamètre que l’entonnoir dans l’entonnoir Büchner.
- Fixez la fiole Büchner à une ligne de vide ou à un aspirateur avec un tuyau à paroi épaisse.
- Appliquez le vide.
- Mouillez le papier-filtre avec un peu de solvant, en utilisant idéalement le même liquide que le mélange.
- Vérifiez que le joint d’étanchéité est bien mis en place en écoutant un bruit de succion lorsque le solvant est aspiré dans la fiole.
- Agitez la fiole contenant le mélange à filtrer.
- Versez lentement le mélange sur le papier-filtre jusqu’à ce que tout le mélange soit séparé.
Exemple 2: Rappel d’une méthode de récupération du sable à partir de l’eau
Un élève doit séparer un échantillon de sable d’une suspension dans l’eau. Quelle technique l’élève doit-il utiliser ?
- la filtration
- la distillation
- la cristallisation
- l’évaporation
- la centrifugation
Réponse
La cristallisation et l’évaporation sont des techniques de séparation qui peuvent être utilisées pour séparer un solide dissous d’un liquide. La distillation est une technique de séparation qui peut être utilisée pour séparer deux liquides miscibles qui ont des points d’ébullition différents. La centrifugation est une technique de séparation couramment utilisée pour séparer des particules, très fines en suspension, d’une solution. La filtration est une technique de séparation qui peut être utilisée pour séparer un solide insoluble d’un liquide.
Le sable est insoluble dans l’eau. Les particules sont assez grandes, de sorte que la centrifugation ne sera pas la meilleure méthode pour la séparation. La technique que l’élève doit utiliser est la filtration, la bonne réponse est A.
Lorsqu’un mélange contient un solide soluble et un liquide, par exemple de l’eau salée, on peut séparer les deux composants en laissant le solide soluble se cristalliser. Dans cette méthode de séparation, le liquide, également appelé le solvant, sera écarté en appliquant de la chaleur au mélange. Cela signifie que seul le solide soluble peut être recueilli. Ce solide soluble peut aussi être appelé soluté.
Il existe deux méthodes d’obtention des cristaux. Chaque méthode a ses propres avantages et inconvénients. La première méthode est la technique d’évaporation, utilisée si la solution ne contient qu’un soluté. La technique d’évaporation peut également être utilisée si la solution ne contient pas d’impuretés et si nous n’avons pas besoin de faire croître de grands cristaux réguliers.
L’évaporation est réalisée en mettant d’abord la solution d’essai dans une coupelle ou un bassin d’évaporation. La solution peut ensuite être placée à l’air libre pour permettre au solvant de s’évaporer naturellement. La solution peut également être placée sur une source de chaleur pour accélérer le processus d’évaporation.
La solution ne doit jamais être chauffée trop rapidement. Un chauffage lent empêche l’ébullition et les collisions rapides qui expulsent une partie de la solution de la coupelle. Le solvant commence à s’évaporer au fur et à mesure que la chaleur est appliquée et la solution devient de plus en plus concentrée.
Finalement, la solution devient sursaturée et elle ne peut plus contenir tout le soluté. À ce stade, de petits cristaux commencent à se former à la surface du liquide ou sur les bords de la coupelle d’évaporation.
Nous devons continuer à chauffer la solution jusqu’à l’évaporation de la plus grande partie du solvant. Les cristaux ne doivent pas être chauffés jusqu’à ce qu’ils soient complètement secs car certains cristaux se décomposent facilement lors d’un chauffage supplémentaire. De petits cristaux vont recouvrir la coupelle, pouvant être séparés de la solution restante en utilisant la technique de filtration. Ces cristaux sont petits, car ils se forment rapidement. En outre, s’il y avait des impuretés dans la solution, elles se cristalliseraient également ou seraient piégées dans la structure cristalline du soluté.
Comment : Effectuer une évaporation
- Placez la solution à séparer dans une coupelle d’évaporation.
- Placez la coupelle d’évaporation sur une source de chaleur.
- Chauffez lentement la coupelle d’évaporation jusqu’à l’évaporation de la plus grande partie du solvant.
- Utilisez une technique de filtration pour filtrer les cristaux résultants.
Exemple 3: Rappel d’un procédé de récupération du chlorure de sodium à partir d’une solution
Un élève dissout du chlorure de sodium dans l’eau et veut le récupérer. Quelle technique doit-il utiliser ?
- la cristallisation
- la filtration
- la centrifugation
- l’évaporation
- la distillation
Réponse
La distillation est une technique de séparation qui peut être utilisée pour séparer deux liquides miscibles qui ont des points d’ébullition différents. La centrifugation est une technique de séparation couramment utilisée pour séparer des particules, très fines en suspension, d’une solution. La filtration est une technique de séparation qui peut être utilisée pour séparer un solide insoluble d’un liquide. La cristallisation et l’évaporation sont des techniques de séparation qui peuvent être utilisées pour séparer un solide dissous d’un liquide.
Dans cet exercice, le chlorure de sodium est dissous dans l’eau. L’élève peut utiliser la cristallisation ou l’évaporation pour récupérer le chlorure de sodium. Cependant, comme il n’y a pas d’autres solutés ni d’impuretés dans la solution, l’évaporation sera la technique préférée car elle est beaucoup plus rapide que la cristallisation. L’élève doit utiliser l’évaporation, la bonne réponse est D.
La deuxième méthode, la technique de cristallisation, est utilisée si la solution contient deux ou plusieurs solutés avec des solubilités différentes. La technique de cristallisation doit également être utilisée si la solution contient des impuretés ou si nous voulons faire croître de grands cristaux réguliers.
Le processus de cristallisation commence de la même manière que l’évaporation. Cependant, la coupelle d’évaporation est éloignée de la source de chaleur une fois que de petits cristaux commencent à se former sur la surface du liquide ou sur les bords de la coupelle d’évaporation. Nous devons ensuite mettre de côté la coupelle d’évaporation et la laisser refroidir.
Avec le refroidissement, de moins en moins de soluté pourra rester en solution. L’excès de soluté précipitera sous forme de grands cristaux réguliers. Nous pouvons former encore davantage de cristaux en plaçant la coupelle dans un bain glacé. L’image ci-dessous montre des cristaux de sulfate de cuivre isolés à partir d’une solution de sulfate de cuivre par la technique de cristallisation.
Une fois les cristaux obtenus et la solution restante refroidis, ils peuvent être séparés à l’aide de la technique de filtration. La cristallisation est un excellent moyen de purifier une solution si elle contient des impuretés. Lorsque les cristaux se forment lentement, une structure cristalline régulière peut être obtenue sans retenir les impuretés. Les impuretés resteront dans la solution et elles pourront alors être filtrées.
Si plus d’un soluté soluble était présent dans la solution de départ, le soluté le moins soluble précipiterait en premier, sous forme de cristaux. Plusieurs cristallisations peuvent être nécessaires pour séparer complètement les solutés.
Comment : Effectuer une cristallisation
- Placez la solution à séparer dans une coupelle d’évaporation.
- Placez la coupelle d’évaporation sur une source de chaleur.
- Chauffez lentement la coupelle d’évaporation jusqu’à ce que les cristaux commencent à se former.
- Retirez la coupelle d’évaporation du feu et laissez-la se refroidir.
- Utilisez une technique de filtration pour filtrer les cristaux résultants de la solution restante.
Exemple 4: Rappel du procédé de cristallisation
Le schéma ci-dessous montre le montage pour un processus de cristallisation. Quand est-ce qu’il faut éloigner la chaleur de la coupelle d’évaporation ?
Réponse
Lors de la cristallisation, le but est de sursaturer une solution, puis de la laisser refroidir lentement pour former de grands cristaux réguliers. Nous chauffons la solution pour éliminer une partie du solvant. Nous savons qu’une solution sursaturée est obtenue lorsque des cristaux commencent à se former à la surface du liquide ou sur les bords de la coupelle. Nous devons arrêter de chauffer lorsque des cristaux commencent à se former dans la coupelle.
Exemple 5: Identifier une série de méthodes pour séparer le chlorure de sodium du sel gemme
Un mélange de sable et de chlorure de sodium est communément appelé sel gemme. Laquelle des séquences suivantes montre l’ordre correct nécessaire pour séparer le chlorure de sodium du sel gemme ?
- Dissolution dans l’eau filtration cristallisation
- Filtration dissolution dans l’eau distillation
- Filtration cristallisation dissolution dans l’eau
- Cristallisation dissolution dans l’eau filtration
- Dissolution dans l’eau cristallisation filtration
Réponse
Le sel gemme est un mélange de deux solides : le sable et le chlorure de sodium. Pour les séparer, il faut d’abord ajouter de l’eau au mélange. Le chlorure de sodium est soluble dans l’eau, contrairement au sable. Dans l’eau, le chlorure de sodium se dissocie en ions de et de . Nous avons maintenant un mélange de sable et de chlorure de sodium aqueux.
Ce mélange peut être séparé par filtration. Dans cette méthode, le mélange est versé à travers un morceau de papier-filtre. Les grandes particules de sable sont arrêtées par le papier-filtre tandis que les molécules d’eau et les ions peuvent passer à travers le papier-filtre.
Pour séparer le soluté, le chlorure de sodium, du solvant (l’eau), nous pouvons réaliser une évaporation ou une cristallisation. Dans ces deux méthodes, la solution est chauffée. Le solvant (l’eau) est évaporé pour laisser derrière lui des cristaux de chlorure de sodium.
La réponse qui montre le bon ordre nécessaire pour séparer le chlorure de sodium du sel gemme est la réponse A, dissolution dans l’eau filtration cristallisation.
Points clés
- Les solides insolubles peuvent être séparés d’un liquide par filtration.
- La filtration par gravité est préférée lorsque le filtrat est souhaité après la séparation, quand il y a beaucoup de mélange à séparer ou quand le mélange doit être filtré à chaud.
- Une filtration sous vide est préférée lorsque le solide est souhaité après séparation ou lorsqu’il y a une petite quantité de mélange à séparer.
- Les solides solubles peuvent être séparés d’un liquide par la cristallisation du solide.
- L’évaporation est préférée lorsque la solution contient un seul soluté, quand la solution ne contient pas d’impuretés et quand nous n’avons pas besoin de faire croître de gros cristaux réguliers.
- La cristallisation est préférée lorsque la solution contient deux solutés ou plus qui ont des solubilités différentes, lorsque la solution contient des impuretés ou si nous voulons faire croître de grands cristaux réguliers.
