Concepts clés
Chimie
Solutions
Miscibilité
Polarité
Solubilité

Introduction
Vous savez probablement que certains liquides, tels que l’huile et l’eau, ne se mélangent pas. Si vous les versez dans le même récipient, ils formeront des couches liquides séparées, les unes sur les autres. D’autres liquides, par exemple de l’alcool à friction et de l’eau, peuvent être mélangés les uns aux autres. Mais saviez-vous qu’une fois ces deux liquides mélangés, vous pouvez les séparer à nouveau en deux couches différentes? Comment peux-tu faire ça? La réponse pourrait vous surprendre — avec du sel! Dans cette activité, vous découvrirez comment cela fonctionne.

Contexte
Lorsque deux liquides peuvent être mélangés ensemble, ils sont « miscibles” — ils forment quelque chose qu’on appelle une solution homogène, ce qui signifie que vous ne pouvez plus distinguer les deux liquides. En revanche, lorsqu’elles ne peuvent pas être mélangées, elles sont « non miscibles » — elles formeront deux couches distinctes, appelées solution hétérogène. Pour pouvoir se mélanger, les molécules des deux liquides doivent pouvoir s’attirer l’une l’autre. Les molécules polaires (c’est-à-dire que leur charge électrique est répartie de manière inégale, elles ont donc un côté plus positif et un côté plus négatif) ont tendance à former des liaisons hydrogène alors que les molécules non polaires (qui ont un équilibre de charge égal) n’ont pas tendance à former de telles liaisons. Parce que les molécules d’eau sont polaires, tout liquide qui n’a pas de molécules polaires — comme l’huile — est généralement non miscible avec l’eau.

Les molécules d’alcool à friction ont une partie polaire et apolaire, ce qui signifie qu’elles sont capables de former des liaisons hydrogène avec l’eau et donc de se mélanger avec elle. Mais comment pouvez-vous rompre ces liens afin de séparer les deux liquides une fois qu’ils sont mélangés? Vous devez ajouter quelque chose au mélange qui rivalise avec l’alcool pour se lier aux molécules d’eau. Une substance qui peut le faire est le sel. Le sel est un composé ionique, ce qui signifie qu’il s’agit d’une substance composée de molécules chargées électriquement appelées ions. Lorsque les composés ioniques se dissolvent dans l’eau, les ions individuels se séparent et sont entourés de molécules d’eau — un processus appelé solvatation. Parce que les ions de sel sont chargés, ils se dissolvent beaucoup mieux dans un solvant polaire, qui est également légèrement plus chargé qu’un solvant apolaire. Pour cette raison, les ions de sel attirent les molécules d’eau beaucoup plus fortement que les molécules d’alcool, car l’alcool est moins polaire que l’eau. Cela signifie que lorsqu’il y a beaucoup de sel, toutes les molécules d’eau se lient aux ions de sel, n’en laissant aucune pour former des liaisons hydrogène avec les molécules d’alcool. En conséquence, l’alcool devient non miscible avec l’eau et commence à former une couche séparée. Ce processus est appelé « salage » ou « séparation de phase induite par le sel ». »

Historiquement, cette méthode a été utilisée dans le processus de fabrication du savon pour éliminer les ingrédients qui ne devraient pas être dans le produit de savon final. Le salage est également couramment utilisé dans les laboratoires de biochimie pour purifier les protéines, car différentes molécules de protéines deviennent non miscibles à différentes concentrations de solutions salines. Les chimistes utilisent cette technique pour extraire des liquides d’une solution, ce que vous allez faire dans cette activité: Vous séparerez un mélange d’alcool à friction et d’eau en utilisant juste une cuillère à café de sel de table!

Matériaux

• Quatre mini tasses transparentes (deux onces) avec couvercles
• Marqueur permanent
• Eau du robinet
• Alcool à friction (alcool isopropylique à 70%)
• Sel de table
• Ensemble de cuillères à mesurer
• Zone de travail pouvant tolérer les déversements
• Éthanol ou acétone (disponible dans les quincailleries) (facultatif)
• Substitut de sel tel que le chlorure de potassium ou le sel d’Epsom (facultatif)

Préparation

• Avec l’étiquette de marqueur permanent, les mini tasses 1, 2, 3 et 4.
• Ajouter une cuillère à soupe et demie d’eau aux tasses 1 et 3.
• Ajouter une cuillère à soupe et demie d’alcool à friction dans les tasses 2 et 4.

Procédure

• Ajouter une cuillère à café de sel à l’eau dans la tasse 1. Qu’arrive-t-il au sel ? Se dissout-il dans l’eau?
• Mettez le couvercle et secouez la tasse pendant environ 20 à 30 secondes. À quoi ressemble le mélange?
• Répétez les deux étapes précédentes en utilisant la tasse 2 (avec de l’alcool à friction). Qu’arrive-t-il au sel cette fois ? Le mélange est–il différent du mélange eau-sel?
• Retirez le capuchon du marqueur permanent et faites tourner son extrémité dans l’eau dans la tasse 3 pendant environ 10 secondes. Mettez le couvercle sur la tasse et secouez-la pendant cinq secondes. L’encre se dissout-elle dans l’eau ? À quoi ressemble la solution après avoir secoué?
• Répétez l’étape précédente avec la tasse 4 (alcool à friction). Le mélange résultant est-il différent? Si oui, qu’est-ce qui est différent? Pouvez-vous expliquer les différences?
• Ensuite, versez l’alcool de la tasse 4 dans l’eau de la tasse 3. Remettez le couvercle et faites tourbillonner le mélange pendant cinq secondes. L’alcool à friction se mélange-t-il à l’eau? Qu’advient-il de la couleur du mélange? Voyez-vous des couches séparées se former?
• Maintenant, ajoutez une cuillère à café de sel au mélange dans la tasse 3. Mettez le couvercle sur la tasse et secouez-la pendant 20 à 30 secondes. Que se passe-t-il lorsque vous ajoutez le sel au mélange? Le mélange a-t-il un aspect différent avant et après l’agitation? Si oui, en quoi cela a-t-il l’air différent? Pouvez-vous expliquer vos résultats ? De quelle couleur est le mélange?
• Extra: Pouvez-vous séparer d’autres mélanges liquides en utilisant du sel? Qu’en est-il de l’éthanol et de l’eau ou de l’acétone et de l’eau? Essayez différents mélanges liquides pour le savoir!
• Extra: Existe—t—il d’autres sels – par exemple du chlorure de potassium, un substitut de sel ou du sel d’Epsom – que vous pourriez utiliser pour séparer les liquides? Répétez le test, mais utilisez cette fois un sel différent du sel de table. Voyez-vous toujours les mêmes résultats? Sinon, en quoi vos résultats sont-ils différents?
• Extra: De quelle quantité de sel avez-vous besoin pour séparer l’alcool à friction et l’eau? Découvrez en faisant varier les quantités de sel que vous ajoutez au mélange d’alcool à friction et d’eau.

Observations et résultats
Vous auriez dû voir que le sel se dissout facilement dans l’eau dans la tasse 1. (Après l’avoir secoué, le sel semblait disparaître.) Rappelez-vous que cela se produit parce que les molécules de sel ionique se lient facilement aux molécules d’eau polaire. Le sel, cependant, ne s’est pas dissous aussi facilement dans l’alcool à friction de la tasse 2. (Même après l’avoir secoué, vous pourrez toujours voir le sel.) Cela se produit parce que les molécules d’alcool sont moins polaires que l’eau, de sorte que les ions de sel ne se lient pas avec eux aussi facilement.

Avec l’encre marqueur permanente, vous auriez dû observer le phénomène exactement inverse. L’encre ne se dissout pas bien dans l’eau mais elle se dissout facilement dans l’alcool, ce qui donne à ce dernier beaucoup plus de couleur. Cela est dû au fait que l’alcool à friction a également une partie de sa molécule qui n’a pas de charges et qui est apolaire. Cette partie est plus compatible avec les molécules apolaires telles que l’encre marqueur.

Lorsque vous mélangez l’alcool à friction avec de l’eau, les molécules de ce dernier créent des liaisons hydrogène avec les molécules d’eau. L’alcool se dissout dans l’eau pour former une solution homogène, de sorte que vous ne pouvez plus distinguer l’alcool et l’eau. Si vous ajoutez du sel au mélange, cependant, le sel veut se dissoudre dans l’eau et rivalise avec l’alcool pour les molécules d’eau. Comme il y a moins de molécules d’eau disponibles pour créer des liaisons hydrogène avec les molécules d’alcool, l’alcool devient moins soluble dans le mélange eau–alcool, formant éventuellement une couche séparée au-dessus de l’eau. Les deux couches doivent avoir une couleur différente, l’eau étant généralement claire et l’alcool plus coloré. Cela se produit parce que l’encre du marqueur est plus soluble dans l’alcool à friction.

Nettoyage
Rincez tous vos mélanges dans l’évier avec beaucoup d’eau froide. Lavez-vous les mains et nettoyez votre espace de travail.

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