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Vidéo de la leçon : Filtration et cristallisation Chimie

Dans cette leçon, nous allons apprendre comment séparer des mélanges par filtration et cristallisation, choisir l’appareil approprié et déterminer quand il doit être utilisé.

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Transcription de vidéo

Dans cette vidéo, nous allons apprendre à séparer des mélanges par filtration et par cristallisation. Nous allons également apprendre à déterminer quel montage expérimental nous avons besoin et quelle méthode utiliser.

En chimie expérimentale, être capable de purifier et de séparer différentes substances est une compétence clé. Deux méthodes utiles dans ce domaine sont la filtration et la cristallisation. Examinons de plus près ce que permet de réaliser chacune de ces méthodes.

La filtration, par exemple, est utile pour séparer un solide d’un liquide. Un bon exemple d'utilisation de la filtration dans la vie quotidienne pourrait être d'obtenir du marc de café à partir d’une tasse de café. D’autre part, la cristallisation est utile pour retirer un solide d'une solution. Un exemple de cette méthode que vous avez peut-être déjà expérimenté consiste à obtenir des cristaux de sulfate de cuivre à partir d’une solution de sulfate de cuivre. Bien qu’à première vue, ces deux méthodes puissent sembler similaires, à savoir pour permettre d'obtenir la séparation d’un solide et d’un liquide, il existe en fait quelques différences clés. Par exemple, au cours de la filtration, le solide que nous séparons est insoluble dans le liquide, comme dans le cas du marc de café et de l’eau. Cependant, au cours de la cristallisation, le solide que nous tentons d'obtenir est soluble dans le liquide. Il s'agit d'une différence importante.

Commençons par examiner de plus près la façon d'effectuer une filtration. En ce qui concerne la filtration, il existe deux méthodes principales, soit la filtration par gravité et la filtration sous vide. La filtration par gravité est beaucoup plus lente que la filtration sous vide. Cependant, la filtration par gravité a tendance à être meilleure que la filtration sous vide lorsque le liquide est la partie que vous souhaitez conserver. De plus, la filtration par gravité est appropriée lorsque vous avez un grand volume de liquide à filtrer. La filtration sous vide est plus rapide que la filtration par gravité et elle est également préférable pour filtrer de petites quantités de solide ou de liquide. Par contre, elle n’est pas aussi efficace que la filtration par gravité si vous avez beaucoup de solide ou de liquide à filtrer. N’oubliez pas que vous pouvez également effectuer une filtration par gravité à chaud. Cette dernière est utile lorsqu'une cristallisation se produit à l’intérieur de l’entonnoir lors de la filtration.

Examinons donc comment fonctionne la filtration par gravité. Pour effectuer une filtration par gravité, vous aurez besoin d’un erlenmeyer, parfois appelé fiole conique, et d'un entonnoir. Afin de vous assurer de ne rien renverser, vous devez fixer votre entonnoir avec une pince ou un support à anneau. Notez que la fiole conique, ou erlenmeyer, n’a pas besoin d’être fixée, car le positionnement de l’entonnoir sera suffisant pour la maintenir en place. Lorsque vous devez retirer l'erlenmeyer, il suffit de desserrer la pince du support et de faire glisser l’entonnoir vers le haut, ce qui vous donnera suffisamment d’espace pour sortir ou placer une fiole conique ou un erlenmeyer. N’oubliez pas que votre verrerie fixée doit toujours être au-dessus de la lourde base du support de laboratoire afin de prévenir tout renversement.

La dernière pièce d'équipement dont nous aurons besoin est un papier filtre. Les papiers filtres sont circulaires et existent en différentes tailles. Ils ressemblent beaucoup aux filtres que vous utilisez pour faire du café filtre. Pour déposer ce papier filtre circulaire dans notre entonnoir, nous devons le plier. Nous pourrions le plier en quatre, ce qui nous donnerait alors un cône. Cependant, en utilisant cette méthode, il y aurait une partie de notre cône avec une double couche de papier filtre. Le fait de passer au travers de deux couches de papier filtre rendra notre filtration encore plus lente. Rappelez-vous que la filtration par gravité est déjà plus lente que la filtration sous vide. Bien qu'il est possible d'utiliser cette méthode, elle n’est pas la plus efficace. Nous allons donc plutôt canneler le papier filtre, ce qui signifie qu’il sera plié en de nombreux petits triangles en alternant de direction de sorte qu’il soit plié en accordéon. Bien que cela puisse sembler plus compliqué à faire, la substance à filtrer passera à travers une seule couche de papier filtre, peu importe où elle se trouve. Avec la pratique, cette méthode deviendra beaucoup plus facile. Une fois que nous avons cannelé notre papier filtre, nous pouvons le placer à l’intérieur de notre entonnoir et débuter notre filtration. La première étape est toujours d'installer notre montage expérimental.

La prochaine chose que nous allons faire est de bien faire tourner le mélange que nous voulons filtrer, afin que toutes les particules au fond de notre mélange soient soigneusement réparties dans tout le liquide. Cette étape est particulièrement importante si nous voulons collecter la matière particulaire. Si vous ne faites pas tourner votre mélange, une partie de cette matière pourrait rester dans la fiole conique ou l'erlenmeyer et ne pas passer à travers votre papier filtre. Vous aurez donc de la difficulté à la faire sortir de la fiole.

Ensuite, nous pouvons verser notre mélange sur notre papier filtre cannelé. Vous devez le faire lentement et graduellement en tournant à nouveau le mélange, si nécessaire. Assurez-vous de ne pas trop remplir l’entonnoir. Vous ne voulez pas que le mélange glisse sur les parois de votre papier filtre et passe directement dans la fiole, ce qui signifierait que certains de vos solides ne passeraient pas à travers le papier filtre et que vous devrez tout recommencer. Si le papier filtre est plein, laissez le liquide s'écouler puis ajoutez-en un peu plus. Les particules solides devraient rester sur le papier filtre, alors que le liquide le traversera pour se retrouver dans la fiole, ce qui signifie que nous aurons réussi à séparer un solide d’un liquide. Alors, en quoi le fonctionnement de la filtration par gravité est-il différent de celui de la filtration sous vide ?

Examinons maintenant la filtration sous vide en commençant par installer le montage expérimental. Nous allons avoir besoin d’une fiole qui ressemble un peu à un erlenmeyer, mais avec un petit bras en verre sur lequel nous pourrons attacher un tube menant à notre conduite sous vide. N’oubliez pas que les tubes sous vide doivent avoir des parois épaisses, à ne pas confondre avec les tubes à parois minces que vous utilisez pour l’eau ou pour le gaz.

La prochaine pièce dont nous aurons besoin est un joint d'étanchéité sous vide. Il s’agit généralement d’un anneau en caoutchouc rond qui se trouve sur le dessus de notre fiole et qui tiendra notre entonnoir en place, ce qui aidera à créer l'étanchéité du montage. Ensuite, nous aurons besoin de notre entonnoir. Il ne s'agit toutefois pas d'un entonnoir conique en verre comme celui que nous avons utilisé pour la filtration par gravité. Celui-ci est davantage cylindrique et est généralement fait en céramique. Si vous observez l’entonnoir à partir du haut, vous constaterez qu’il y a beaucoup de petits trous dans le fond en céramique. Ce type d’entonnoir s’appelle un entonnoir Büchner. La fiole que nous utilisons avec un bras en verre sur le côté est appelé une fiole de Büchner.

Tout comme avec la filtration par gravité, notre montage expérimental doit être fixé à un support pour le maintenir en place de façon sécuritaire. Cette fois-ci, nous allons le fixer au support de laboratoire avec une pince autour du col de la fiole de Büchner. Assurez-vous de ne pas trop la serrer, car vous ne voudriez pas endommager le verre de la fiole. Il est important de vous assurer que tout est bien fixé avant de mettre le montage sous vide. Si ce n’est pas le cas quand vous mettez le montage sous vide, il pourrait se renverser.

Ensuite, nous allons avoir besoin d’un papier filtre. Lorsque vous placez le papier filtre dans l'entonnoir Büchner, il doit couvrir tous les trous. Si l’un des trous est visible, le papier filtre que vous avez choisi est trop petit. Vous devrez donc en prendre un plus grand. De façon similaire, si votre papier filtre est trop grand, il se froissera et se pliera, ce qui signifie qu'une partie de votre mélange pourrait descendre dans l’entonnoir sans passer à travers le papier filtre. Certains solides pourraient donc vous échapper et vous devrez recommencer. Assurez-vous donc de choisir un papier filtre de la bonne taille.

Une fois que le montage expérimental est prêt, nous pouvons débuter la filtration. Tout d’abord, nous devons mettre notre fiole de Büchner sous vide. Ensuite, avant de commencer la filtration, nous devons tester l'étanchéité de notre montage à vide. Pour ce faire, mouillez votre papier filtre avec une petite quantité de solvant. Essayez de choisir le même solvant que celui que vous avez dans le mélange que vous voulez filtrer. Ainsi, si vous voulez filtrer le sable dans l’eau, vous devez utiliser de l’eau pour mouiller votre papier. Si vous voulez plutôt filtrer un certain solide dans l’éthanol, vous devez utiliser de l’éthanol pour mouiller votre papier.

Une fois que le papier est mouillé, si le joint sous vide est étanche, vous devriez entendre un bruit de succion. De plus, si vous essayez de déplacer doucement votre entonnoir Büchner, vous devriez sentir qu’il est fermement maintenu en place par le vide, ce qui signifie que votre montage est étanche. Si votre montage n'est pas étanche, c'est le moment d’essayer de résoudre ce problème. Il se peut que vous ayez seulement besoin d'agiter un peu l’entonnoir dans le joint sous vide ou que votre joint soit endommagé et que vous ayez besoin de le remplacer. Dans tous les cas, il est important de s'assurer d'avoir une bonne étanchéité avant de débuter la filtration.

Tout comme dans le cas de la filtration par gravité, vous devez faire tourner votre mélange afin de vous assurer les particules soient bien mélangées et qu’elles ne soient pas toutes collées au fond de votre récipient. Vous pouvez ensuite verser tranquillement ce mélange dans votre entonnoir Büchner. Le vide devrait rapidement aspirer le liquide vers la fiole avec un bon bruit de succion. Toutes les particules solides devraient se retrouver sur le papier filtre de votre entonnoir Büchner. À un moment quelconque, si votre papier filtre commence à se froisser ou à se soulever, cessez de verser le mélange. Assurez-vous que votre papier filtre reste bien à plat en tout temps, afin d'empêcher tout solide de s'échapper directement dans la fiole.

Si votre papier filtre devient couvert d’une épaisse couche de solide, la qualité du vide dans votre montage pourrait diminuer et votre papier pourrait se bloquer. Afin de résoudre ce problème, vous devrez peut-être interrompre votre filtration. Vous pouvez essayer de déplacer doucement une partie du solide, mais il y a un risque de déchirer le papier filtre. Vous devez donc être très prudent si vous décidez d'essayer cette technique. S’il n’y a plus de liquide dans votre entonnoir Büchner, il sera peut-être plus facile de remplacer votre papier filtre utilisé par un nouveau.

Vous devez également surveiller le niveau de liquide dans votre fiole de Büchner. Si votre fiole de Büchner est pleine, elle doit être remplacée. Si le liquide atteint la hauteur du bras en verre, vous allez aspirer du liquide dans votre conduite sous vide, ce qui est vraiment néfaste. C’est pour cette raison que la filtration sous vide est la meilleure solution pour filtrer des mélanges qui ne contiennent qu’une petite quantité de solide ou de liquide.

Maintenant que nous avons séparé les solides insolubles des liquides, examinons la séparation des solides solubles des liquides. Nous utilisons la cristallisation pour y parvenir. Afin de réaliser une cristallisation, nous avons besoin d’un bassin d’évaporation qui est maintenu au-dessus d'une source de chaleur, par exemple un bec Bunsen. Nous plaçons notre solution dans le bassin d’évaporation et allumons la source de chaleur.

Le solvant commence à s’évaporer lorsque nous commençons à chauffer notre solution. Considérons ce qui se produit avec la concentration de notre solution d’origine à mesure que nous évaporons de plus en plus de solvants. Avec moins de solvant, notre solution devient de plus en plus saturée, jusqu’à ce qu’elle soit sursaturée. Si nous éteignons ensuite la source de chaleur, notre solution se refroidit et vous pourrez constater que des cristaux commencent à se former. En effet, lorsque notre solution se refroidit, elle n’est plus en mesure de contenir autant de solide en solution. Cet excès de solide se dépose sous forme de cristaux.

Nous pourrions alors utiliser l’une de nos méthodes de filtration pour filtrer le reste de la solution et conserver nos nouveaux cristaux. Il s'agit donc d'une des méthodes pour effectuer une cristallisation. Cette méthode signifie que si des impuretés sont présentes dans notre solution, elles ne se retrouveront pas sous forme de cristaux. Vous pouvez donc considérer cette méthode comme une étape de purification, mais il ne s'agit pas de la seule méthode de cristallisation.

Une autre méthode pour obtenir des cristaux à partir d'une solution consiste simplement à la chauffer. À mesure que nous éliminons de plus en plus de solvants, moins de solides peuvent rester en solution. Vous remarquerez alors que des solides se forment sur les parois du bassin d’évaporation. Nous devons simplement continuer à chauffer jusqu’à ce que tout notre solvant soit évaporé, ce qui nous laissera tous les solides sous forme de cristaux. L’inconvénient de cette méthode de cristallisation est que si des impuretés sont présentes dans votre solution initiale, elles se retrouveront également sous forme de cristaux et contamineront votre échantillon solide. Une étape supplémentaire de purification sera donc nécessaire. Cette méthode produit également des cristaux beaucoup plus petits que lorsque vous évaporez la majorité du solvant et laissez refroidir le reste. Si vous avez le temps et la patience, vous pouvez obtenir de très gros cristaux réguliers en utilisant la première méthode. C'est peut-être ce que vous avez fait avec une solution de sulfate de cuivre, par exemple.

Résumons ce que nous venons d'apprendre sur la filtration et la cristallisation. La filtration peut être utilisée pour séparer les solides insolubles des liquides, par exemple le sable dans l’eau. Nous pouvons utiliser la filtration par gravité, qui est lente mais appropriée pour de grands volumes. Elle implique un erlenmeyer, un entonnoir et du papier filtre cannelé. Nous pouvons également utiliser la filtration sous vide, qui est plus rapide mais moins appropriée pour de grands volumes ou de grandes quantités de solide. La filtration sous vide implique une fiole de Büchner, un entonnoir Büchner et une conduite sous vide.

D’autre part, la cristallisation est appropriée pour séparer les solides solubles d'une solution, par exemple pour obtenir des cristaux de sulfate de cuivre à partir d’une solution de sulfate de cuivre ou peut-être pour obtenir des cristaux de sel à partir de l’eau salée. Cette technique consiste à évaporer le solvant de la solution pour la sursaturer. Vous pouvez ensuite la refroidir pour produire de gros cristaux ou continuer à évaporer tout le solvant afin de produire de plus petits cristaux.

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