Solutions, suspensions et sédimentation

 

De quoi s'agit-il ?

 
Un ensemble de petits grains mis en suspension homogène dans un liquide moins dense (par exemple du sable dans l’eau) sédimente. Si les grains sont tous identiques, ils chutent à la même vitesse de sédimentation Vs. Cette  vitesse est égale à celle d’une particule seule V0 tant que la concentration C de grains est assez faible (moins de 5 %). Elle diminue au fur et à mesure que la concentration augmente par suite des effets d’encombrement  entre grains ainsi que de la nécessité pour du  liquide pur de remonter pour laisser leur place aux grains qui descendent. On voit cette remontée  de liquide dans l’image de la chute d’une bille unique dans un tube vertical. La vitesse Vs est aussi égale à celle du front qui sépare la partie supérieure du liquide qui est limpide de la partie inférieure où la concentration de grains est constante.
 
La vitesse de sédimentation d’une suspension diluée dépend de la masse de la particule. Pour des particules de même nature et le même liquide, elle augmente comme le carré de leur diamètre.
 
 
Attention On peut faire une analogie féconde en comparant les phénomènes de sédimentation et ceux du trafic sur autoroute. Si la concentration, ou la densité de véhicules (le nombre de voitures qui passent en un endroit donné par heure), est trop élevée, le flux de véhicules diminue au-dessus d’un seuil alors même que leur densité augmente. C’est ce phénomène qui  est à l’origine des bouchons d’autoroute.
 
 
 

Que peut-on observer ?

 
La partie supérieure du liquide limpide est séparée d’une suspension homogène dans la partie inférieure qui devient de plus en plus concentrée au fur et à mesure que la sédimentation progresse. Dans le même temps l’épaisseur de sédiment qui se forme au fond du récipient augmente au fur et à mesure que la sédimentation progresse.
 
Un effet très spectaculaire, que l’on observe si on met la suspension dans  un tube à essai qu’on secoue préalablement pour former une suspension homogène sur toute la hauteur, consiste à incliner le tube contenant la suspension homogénéisée d’une dizaine de degrés par rapport à la verticale. La sédimentation est alors beaucoup plus rapide. Ceci est dû au fait que les grains qui tombent et le liquide qui remonte utilisent des chemins différents (penser à la façon d’améliorer le trafic en séparant les deux sens de circulation pour des passants circulant dans des directions opposées).
 
La vitesse de sédimentation du sang qui est de quelques millimètre par  heure chez un patient normal donne des indications sur les globules rouges du sang. Elle est d’autant plus faible que leur concentration est élevée. Par contre, les globules de personnes malades peuvent avoir tendance à s’agglutiner  : leur vitesse augmente quand cette agglomération est importante (comme pour des particules isolées plus lourdes).
 
 
 

Que peut-on mesurer ?

 

Que cherche-t-on à faire ?

 
Mesurer la vitesse à laquelle le front descend.
 

Quel matériel ?

 
Un cristallisoir ou un grand tube à essai.
 
Des grains bien triés de quelques centaines de microns (du sable fin). Les grains doivent préalablement avoir été mouillés pour éviter que de l’air reste entre les grains.
 

Quel déroulement ?

 
Pour mesurer de la vitesse du front on peut éclairer le tube par le coté et projeter l’ombre du front sur un papier millimétré.
 
 
 
Attention Il est délicat de préparer une suspension homogène tout en maintenant le liquide au repos. En effet tout déplacement du liquide induit un effet qui se superpose à la vitesse de sédimentation des grains.
 
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Dans l’histoire?

 
Arthur Edwin  Boycott (1877-1938) était un médecin anglais qui a eu l’idée d’incliner le tube dans lequel on faisait une mesure de vitesse de sédimentation pour accélérer  les mesures de sédimentation des globules du sang.
 
 
 
Attention Si le tube est trop incliné, il se superpose des effets de turbulence à l’interface entre le liquide clair et la fraction qui sédimente.
 
 
 

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