Solutions, suspensions et sédimentation

 

De quoi parle-t-on ?

Une eau limpide peut contenir des substances en solution. Ces substances sont le plus souvent des molécules, dissociées sous forme ionique ou non dissociées. Etant composées de molécules de taille du même ordre de grandeur que les molécules d’eau, leur séparation par filtration ou sédimentation est impossible. Leur mise en évidence et des mesures quantitatives peut être effectuée par chromatographie. La chromatographie est une méthode d’analyse chimique universellement employée consistant à séparer les constituants d’un mélange en utilisant le fait que les constituants d’un mélange ne se déplacent pas à la même vitesse dans un milieu donné.
 
Attention La chromatographie (du grec khrôma, couleur et graphein, écriture : écriture avec les couleurs) reposait initialement sur l’analyse du déplacement sur du papier filtre de substances colorées contenues dans l’eau. La chromatographie s’est généralisée depuis à l’analyse de substances incolores : son nom ne se justifie donc plus.
 

Que peut-on observer ?

La présence de substances dissoutes dans l’eau figure sur les étiquettes des eaux minérales, des boissons et des fiches d’analyse des services de distribution d’eau potable.
 
 
La concentration des principaux cations et anions est indiquée en mg.L-1, parfois comme ici en milliéquivalents par litre (quantités de charges). Cette au est également riche en silice.
 
La présence de substances non volatiles (qui se transforment facilement en vapeur) dans l’eau est facilement mise en évidence en faisant évaporer le liquide (eau minérale, eau salée, eau sucrée). On obtient un résidu minéral en fin d’évaporation. Dans l’exemple le résidu minéral est de 19 mg .L-1.
 
En faisant condenser la vapeur d’eau qui se dégage lors de l’évaporation (par exemple sous une soucoupe renversée) il est possible de fabriquer de l’eau distillée. En faisant évaporer l’eau distillée il ne reste pas de résidu minéral, ce qui prouve l’absence de substances non volatiles.
 
Attention L’absence de résidu minéral ne donne pas d’indication sur la présence ou non de gaz dissous ou de substances volatiles dans l’eau distillée. En fait, l’eau distillée au contact de l’atmosphère dissout certains gaz contenus dans l’air (oxygène, dioxyde de carbone…).
 

Que peut-on mesurer ?

Que cherche-t-on à faire ?

Montrer que le sol arrête certaines substances en solution dans l’eau mais en laisse passer d’autres.

Quel matériel ?

Verres en plastique souple de deux tailles différentes, afin de pouvoir mettre le plus grand au-dessus de l’autre et l’utiliser comme entonnoir.
 
Grands cure dents
 
Du sable de plage ou de jardin d’enfant tamisé
 
De petits filtres en papier
 
Du sol assez argileux pour fixer les colorants alimentaires et suffisamment structuré pour ne pas être imperméable. La présence d’humus dans le sol est un avantage.
 
Un mortier ou une planche et un marteau
 
Une boisson contenant plusieurs colorants alimentaires (par exemple imitation de jus de raisin de couleur violette, car la couleur violette résulte de la présence de colorants bleus chargés positivement et de colorant rouges chargés négativement).

Quel déroulement ?

Ecraser le sol dans le mortier ou sur la planche afin d’obtenir des agrégats d’une taille de quelques millimètres. Il faut que les agrégats soient suffisamment petits pour que le contact avec le liquide permette la fixation du colorant, mais qu’ils ne soient pas trop petits pour que le sol reste perméable.
 
Percer le fond des grands verres de quatre ou cinq trous à l’aide d’un cure-dent.
 
Placer un filtre dans un premier grand verre, un doigt de sable dans le second et un doigt de sable surmonté de trois doigts de terre dans le troisième (le doigt de sable est ici destiné à éviter que la terre ne colmate le filtre).
 
Placer les grands verres au-dessus des petits verres, en mettant un cure-dent entre les deux verres pour permettre à l’air de s’échapper.
 
Verser la même quantité de boisson riche en colorant alimentaires dans les trois verres.
 
Observer la couleur du liquide qui coule dans le petit verre.
 
Montrer que la couleur ne change pas après avoir traversé le filtre ou le sable : les colorants sont en solution dans l’eau puisqu’ils ne sont pas arrêtés par un filtre ; un sol sableux se comporte comme un filtre.
 
Attention L’expérience peut être réalisée avec une suspension pour étudier simultanément les solutions et les suspensions.
 
Montrer que la couleur change (le soluté est rouge) après passage à travers le sol. Discuter la raison du changement de couleur. Montrer, en comparant le sable et le sol, que ce sont les composants du sol autres que le sable (en fait ce sont les argiles et la matière organique) qui fixent le colorant. Discuter sur le pouvoir épurateur du sol dans une optique de développement durable.
 
Discuter le transfert des polluants dans les sols : le colorant bleu se comporte comme les métaux, le colorant rouge comme le nitrate.
L’influence des composés organiques peut être mise en évidence en ajoutant du compost au sol.
 
L’influence de la hauteur de la colonne de sol (similaire à une colonne de chromatographie) sur la fixation du colorant cationique peut être mise en évidence en utilisant une colonne de verre plus haute que le verre (plus la colonne est haute, moins le colorant bleu se retrouve dans le soluté). Montrer que la hauteur de la colonne n’a aucun effet sur le colorant rouge.
 
Il est possible de faire une expérimentation similaire en utilisant d’autres colorants chimiques qui sont sous forme ionique en solution : une solution de bleu de méthylène et une solution d’éosine par exemple. Le bleu de méthylène (cation) est fixé sur le sol, l’éosine (anion) non.
 

Explication par l’image

 

 

Quels prolongements ?

Les colorants alimentaires qui sont arrêtés par le sol, comme le bleu de méthylène, sont des cations. Ils sont fixés (en fait absorbés) par le sol, car certaines argiles (montmorillonite, vermiculite…) et certaines molécules organiques composantes de l’humus sont chargées négativement. Le principe étant semblable à celui employé dans la chromatographie liquide sur colonne, cette expérimentation est une introduction à la chromatographie.
 
La fixation des cations sur le sol explique que la plupart des métaux (cuivre des traitements fongicides, plomb de l’essence, césium des explosions atomiques), qui sont le plus souvent sous forme de cations en solution, s’accumulent dans les premiers centimètres du sol. Ils ne polluent donc pas les nappes phréatiques, mais sont très sensibles à l’érosion qui peut les transférer rapidement latéralement, en particulier dans les cours d’eau. Par ailleurs le pouvoir épurateur des sols atteint sa limite lorsque les sites d’échange sont saturés (ceci peut être montré expérimentalement en utilisant l’expérience décrite précédemment).
 
Les anions (nitrate, sulfate, chlorure, éosine) ne sont pas fixés par les sols. Ils migrent vers les nappes phréatiques avec l’eau de drainage s’ils ne sont pas interceptés par les racines des végétaux. Il est donc important de ne pas apporter plus d’azote aux plantes que ce qu’elles utilisent afin d’éviter la pollution des nappes phréatiques par le nitrate.
 
Le charbon actif, ou noir de carbone, fixe très fortement les composés organiques qui donnent de mauvais goûts ou mauvaises odeurs à l’eau. Sa surface réactive est extrêmement élevée (500 à 1300 m2.g-1), car les grains de charbons sont rendus poreux par traitement. Il est très fréquemment utilisé dans les dispositifs de traitement d’eau potable.
 
 

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