Devoir surveillé : mélanges, dissolution, séparation, air et sécurité

1. a)Corps pur : l’eau distillée n’est faite que d’une seule substance, l’eau. (1 pt : 0,5 pour « corps pur », 0,5 pour la justification) (1)
2. b)Mélange : elle contient de l’eau et des sels minéraux dissous. Mélange homogène : on ne distingue pas ses constituants, ni à l’œil nu ni à la loupe. (1 pt : 0,5 pour « mélange », 0,5 pour « homogène » justifié) (1)
3. c)Mélange hétérogène : on voit à l’œil nu des morceaux de pulpe dans le liquide, donc plusieurs constituants sont visibles. (1 pt : 0,5 pour « mélange hétérogène », 0,5 pour la justification) (1)
4. d)Mélange homogène de gaz : l’air contient surtout du diazote et du dioxygène, plus d’autres gaz, mais on ne peut pas les distinguer. (1 pt : 0,5 pour « mélange », 0,5 pour « homogène » justifié en citant au moins deux gaz) (1)

Piège — limpide ou transparent ne veut pas dire pur : l’eau du robinet et l’air sont des mélanges homogènes. Seul un corps pur ne contient qu’une seule substance.

1. a)Le soluté est le sel (le solide que l’on dissout), le solvant est l’eau (le liquide qui dissout), le mélange obtenu est une solution : de l’eau salée. (1,5 pt : 0,5 par mot juste) (1,25)
2. b)La balance indique 350 g + 20 g = 370 g. Lors d’une dissolution, la masse se conserve : le sel n’a pas disparu, il est dispersé dans l’eau en morceaux trop petits pour être vus. (1 pt : 0,5 pour 370 g, 0,5 pour la conservation de la masse) (1,25)
3. c)200 mL = 2 × 100 mL, donc on peut dissoudre au maximum 2 × 36 g = 72 g de sel. Or Sami n’en a mis que 20 g, et 20 g < 72 g : la solution n’est pas saturée, il n’y a aucun dépôt et on pourrait encore dissoudre 72 − 20 = 52 g de sel. (1,5 pt : 0,5 pour 72 g, 0,5 pour la comparaison, 0,5 pour la conclusion) (1,25)
4. d)Il faut faire évaporer l’eau (laisser le verre au soleil ou chauffer doucement) : l’eau part sous forme de vapeur et le sel reste au fond. Il récupère 20 g de sel, la masse qu’il a dissoute. (1 pt : 0,5 pour l’évaporation, 0,5 pour 20 g) (1,25)

Méthode — la masse maximale que l’on peut dissoudre est proportionnelle au volume d’eau : avec 2 fois plus d’eau, on peut dissoudre 2 fois plus de sel. Compare toujours la masse versée à cette masse maximale.

1. a)Le tri à l’aimant : le fer est attiré par l’aimant, le sable ne l’est pas. On passe l’aimant dans le sable et les trombones s’y collent. (1 pt : 0,5 pour la technique, 0,5 pour l’explication) (1)
2. b)Le tamisage : les grains de sable, fins, passent à travers les trous du tamis, alors que les graviers, plus gros, restent dessus. (1 pt : 0,5 pour la technique, 0,5 pour l’explication) (1)
3. c)L’ampoule à décanter : on laisse reposer, l’huile forme la couche du haut et l’eau la couche du bas. On ouvre le robinet pour faire couler l’eau dans un premier récipient, on le ferme avant que l’huile n’arrive, puis on recueille l’huile dans un second récipient. (1 pt : 0,5 pour la technique, 0,5 pour la description) (1)
4. d)D’abord la décantation : on laisse reposer, la terre se dépose au fond. Puis la filtration : le papier filtre retient les particules de terre (le résidu) et laisse passer l’eau limpide (le filtrat). (1 pt : 0,5 par technique, dans le bon ordre) (1)

Astuce — observe d’abord le mélange : solides de tailles différentes → tamis ; un objet en fer → aimant ; deux liquides non miscibles → ampoule à décanter ; un solide non dissous dans un liquide → décantation puis filtration.

1. a)Les autres gaz représentent 100 − 78 − 21 = 1 % de l’air. Par exemple : l’argon, le dioxyde de carbone, la vapeur d’eau. (1 pt : 0,5 pour 1 %, 0,5 pour deux gaz justes) (1)
2. b)La moitié de 2 000 L, c’est 1 000 L. Volume de dioxygène : 2 000 × 21 ÷ 100 = 420 L, et 420 L < 1 000 L : Léo se trompe. Phrase corrigée : « Le dioxygène ne forme qu’environ un cinquième de l’air de la tente ; le gaz majoritaire est le diazote (environ 78 %). » (1 pt : 0,5 pour 420 L comparé à 1 000 L, 0,5 pour la correction avec le diazote) (1)
3. c)Les autres gaz forment 1 % de l’air : 1 L d’autres gaz pour 100 L d’air. 30 L d’autres gaz correspondent donc à 30 × 100 = 3 000 L d’air. (1 pt : 0,5 pour le raisonnement « 1 L pour 100 L », 0,5 pour 3 000 L) (1)
4. d)Le dioxyde de carbone est un gaz à effet de serre : il retient dans l’atmosphère une partie de la chaleur émise par la Terre. Les activités humaines (combustion du pétrole, du charbon, du gaz) en rejettent de plus en plus, ce qui renforce l’effet de serre et provoque le réchauffement climatique. (1 pt : 0,5 pour « gaz à effet de serre », 0,5 pour le lien avec le réchauffement climatique) (1)

Erreur fréquente — on croit souvent que l’air est surtout fait de dioxygène, le gaz que l’on respire. C’est faux : le diazote en forme environ les quatre cinquièmes.

1. a)L’indice est la production d’un gaz (les bulles) : ce gaz n’existait pas avant le mélange, une nouvelle substance s’est formée. Les réactifs sont le vinaigre et le bicarbonate de soude, qui sont consommés. (1 pt : 0,5 pour l’indice, 0,5 pour les deux réactifs) (1)
2. b)C’est un produit : il est formé pendant la transformation. Ce n’est pas un constituant majoritaire de l’air : il y est présent en très faible proportion (beaucoup moins de 1 %), les constituants majoritaires étant le diazote et le dioxygène. (1 pt : 0,5 pour « produit », 0,5 pour « faible proportion » justifiée) (1)
3. c)La flamme signale un produit inflammable : il peut prendre feu au contact d’une flamme, d’une étincelle ou d’une source de chaleur. Il ne faut pas le vaporiser près d’une flamme et il faut le ranger loin de la chaleur. (1 pt : 0,5 pour « inflammable », 0,5 pour une précaution adaptée) (1)

Piège — une poudre qui « disparaît » n’est pas forcément dissoute : si un gaz se forme, une nouvelle substance est apparue, c’est une transformation chimique.

1. a)C’est une dissolution : le sucre (le soluté) se disperse dans l’eau (le solvant). Il n’a pas disparu : la citronnade a un goût sucré, et si Hugo pèse le récipient avec l’eau et le sucre avant puis après avoir remué, la balance affiche la même masse, car la masse se conserve lors d’une dissolution. (1,5 pt : 0,5 pour « dissolution », 0,5 pour « il n’a pas disparu », 0,5 pour la pesée avant/après) (1,25)
2. b)Mélange hétérogène : on voit à l’œil nu la pulpe et les pépins dans le liquide. (1 pt : 0,5 pour « hétérogène », 0,5 pour la justification) (1,25)
3. c)Dans le filtre reste le résidu : la pulpe et les pépins, qui ne sont pas dissous. Dans la carafe coule le filtrat : de l’eau sucrée au citron, un liquide jaune pâle sans pulpe ni pépins, car le sucre dissous traverse le filtre avec l’eau. (1,5 pt : 0,5 pour « résidu » décrit, 0,5 pour « filtrat » décrit, 0,5 pour l’explication du sucre qui traverse le filtre) (1,25)
4. d)Masse totale : 1 000 + 200 + 150 = 1 350 g. Masse du filtrat : 1 350 − 30 = 1 320 g. (1 pt : 0,5 pour la masse totale, 0,5 pour le résultat) (1,25)

Piège — le filtre ne retient que ce qui n’est pas dissous : le sucre dissous passe avec l’eau, donc un filtrat sans pulpe ni pépins peut contenir des substances invisibles.

1. a)Ce n’est pas un corps pur : l’eau de mer contient de l’eau et des sels dissous, surtout du sel de cuisine. C’est un mélange homogène, une solution : les sels sont dissous, on ne les distingue ni à l’œil nu ni à la loupe. (1 pt : 0,5 pour « mélange », 0,5 pour « homogène / solution » justifié) (1,25)
2. b)500 × 35 = 17 500 g de sels, soit 17,5 kg (1 kg = 1 000 g). (1,5 pt : 0,5 pour le calcul, 0,5 pour 17 500 g, 0,5 pour la conversion) (1,25)
3. c)Les quatre valeurs sont très proches : la mesure est reproductible. Elles se regroupent autour de 18 g (17,5 g et 18,5 g sont de part et d’autre de 18 g) : on retient environ 18 g pour 50 mL. Comme 125 mL = 50 mL + 50 mL + 25 mL, et que 25 mL est la moitié de 50 mL, on peut dissoudre au maximum 18 + 18 + 9 = 45 g de sel (ce qui est cohérent avec 36 g pour 100 mL). (1,5 pt : 0,5 pour les valeurs proches / reproductibles, 0,5 pour 18 g, 0,5 pour 45 g) (1,25)
4. d)L’eau de mer est trop salée : elle n’est pas potable. Méthode : on chauffe l’eau de mer, l’eau s’évapore et le sel reste ; on refroidit ensuite la vapeur d’eau, qui redevient liquide : on obtient de l’eau douce, que l’on contrôle avant de la distribuer comme eau potable. (1 pt : 0,5 pour « non potable car salée », 0,5 pour les étapes évaporation puis refroidissement de la vapeur) (1,25)

Méthode — face à des mesures répétées, vérifie d’abord qu’elles sont proches (mesure reproductible), puis retiens la valeur autour de laquelle elles se regroupent avant de t’en servir pour une prévision.

1. a)21 m³ de dioxygène pour 100 m³ d’air ; or 42 = 2 × 21, donc l’air de la salle occupe 2 × 100 = 200 m³. Diazote : 200 × 78 ÷ 100 = 156 m³. (1 pt : 0,5 pour 200 m³ justifié, 0,5 pour 156 m³) (1)
2. b)200 × 1,2 = 240 kg : l’air de la salle a une masse de 240 kg. (1 pt : 0,5 pour le calcul, 0,5 pour le résultat avec l’unité) (1)
3. c)L’air n’est pas un corps pur : c’est un mélange de plusieurs gaz (diazote, dioxygène, argon, dioxyde de carbone, vapeur d’eau). Il est homogène, c’est pourquoi on ne distingue pas ses constituants, mais ne voir qu’une seule chose ne prouve pas qu’il n’y a qu’une substance. (1 pt : 0,5 pour « mélange de gaz », 0,5 pour l’explication « homogène ») (1)
4. d)Le premier est juste : le dioxygène représente environ 21 % de l’air, soit à peu près un cinquième (20 %) ; la moitié représenterait 50 %, c’est beaucoup trop. Pour vérifier, on compare avec plusieurs sources sérieuses (manuel de sciences, site scientifique ou encyclopédie reconnue) et on regarde qui a écrit l’information. (1 pt : 0,5 pour le bon diagramme justifié, 0,5 pour une méthode de vérification) (1)

Astuce — pour prendre un pourcentage d’un volume, multiplie par le pourcentage puis divise par 100 ; vérifie ensuite que le total des parts ne dépasse pas le volume de départ.

1. a)Il se forme un gaz (les bulles) qui n’existait pas avant, et le calcaire est consommé : une nouvelle substance apparaît, c’est une transformation chimique. Les réactifs sont le calcaire et le détartrant. (1 pt : 0,5 pour l’indice, 0,5 pour les réactifs) (1)
2. b)C’est le pictogramme « corrosif » : le produit ronge la peau, brûle les yeux et peut attaquer certains matériaux. Maëlle doit porter des gants et des lunettes de protection. (1 pt : 0,5 pour « corrosif » expliqué, 0,5 pour gants et lunettes) (1)
3. c)Il ne faut jamais mélanger deux produits ménagers : l’eau de Javel mélangée à un détartrant libère un gaz toxique. Après le détartrage, on rince la bouilloire plusieurs fois à l’eau claire, et l’on peut y faire bouillir une fois de l’eau que l’on jette : ainsi, on ne boira pas de reste de produit corrosif. (1 pt : 0,5 pour le gaz toxique, 0,5 pour le rinçage justifié) (1)

Erreur fréquente — croire que deux produits ménagers nettoient mieux ensemble : ils peuvent réagir entre eux et produire un gaz toxique. On respecte toujours la mention « Ne pas mélanger ».

1. a)La masse se conserve lors d’une dissolution : on obtient 10 + 90 = 100 g d’eau salée. Le sel ne disparaît pas, il est dispersé dans l’eau et devient invisible. (1 pt : 0,5 pour 100 g, 0,5 pour la conservation de la masse) (1)
2. b)Le dioxyde de carbone est présent en très faible proportion dans l’air ; le gaz le plus abondant est le diazote. Il participe pourtant à l’effet de serre, comme la vapeur d’eau et le méthane : ce n’est pas sa quantité qui en fait un gaz à effet de serre. (1 pt : 0,5 pour la correction sur l’abondance, 0,5 pour la phrase corrigée sur l’effet de serre) (1)
3. c)L’eau et le sirop sont miscibles : dès qu’on remue, on obtient un mélange homogène, d’une seule couleur, sans couches séparées. Au début, le sirop, plus lourd que l’eau pour un même volume, descend au fond, mais il se mélange à l’eau quand on agite. (1 pt : 0,5 pour « miscibles », 0,5 pour la justification après agitation) (1)

Astuce — pour corriger une affirmation, cite la règle du cours qu’elle contredit, puis appuie-toi sur un calcul ou une observation.

1. a)Tri à l’aimant : les billes en acier sont attirées, on les récupère. 2) Tamisage : les cailloux restent sur le tamis ; le sable et le sucre passent. 3) On verse de l’eau sur le sable et le sucre et on agite : le sucre, soluble, se dissout ; le sable, insoluble, ne se dissout pas. 4) Filtration : le sable reste dans le filtre (résidu, à faire sécher), l’eau sucrée passe (filtrat). 5) Évaporation de l’eau du filtrat dans la coupelle : le sucre reste. (2 pts : 0,5 pour l’aimant, 0,5 pour le tamis, 0,5 pour dissolution puis filtration, 0,5 pour l’évaporation) (1,66667)
2. b)Masse de sucre : 500 − 140 − 95 − 205 = 60 g (la masse du mélange est la somme des masses de ses constituants). On dissout 200 g dans 100 mL, donc 20 g dans 10 mL, donc 60 g dans 3 × 10 = 30 mL : il faut au moins 30 mL d’eau. (2 pts : 0,5 pour le calcul posé, 0,5 pour 60 g, 1 pour 30 mL justifié par la proportionnalité) (1,66667)
3. c)Le sucre est sans doute encore humide : toute l’eau ne s’est pas évaporée. Ou bien un peu de sable est passé dans le filtrat (filtre déchiré ou mal placé) et se retrouve mélangé au sucre. (1 pt : 0,5 par explication valable) (1,66667)

Piège — le tamis trie seulement selon la taille : le sable et le sucre, aussi fins l’un que l’autre, passent ensemble. C’est leur différence de solubilité dans l’eau qui permet de les séparer.

1. a)25 mL est le quart de 100 mL : 36 ÷ 4 = 9 g. 50 mL est la moitié : 36 ÷ 2 = 18 g. 100 mL : 36 g. (0,5 pt : les trois valeurs justes) (1)
2. b)Il ne faut pas dépasser la masse maximale. Bécher de 25 mL : aucun sachet ne convient (même 10 g dépasse 9 g). Bécher de 50 mL : 10 g et 15 g conviennent (20 g dépasse 18 g). Bécher de 100 mL : 10 g, 15 g et 20 g conviennent. Il y a donc 5 associations : (50 mL ; 10 g), (50 mL ; 15 g), (100 mL ; 10 g), (100 mL ; 15 g), (100 mL ; 20 g). (1,5 pt : 0,5 pour l’exclusion du bécher de 25 mL, 0,5 pour le bécher de 50 mL, 0,5 pour le bécher de 100 mL) (1)
3. c)Dans 50 mL, seulement 18 g de sel peuvent se dissoudre ; comme 20 g > 18 g, il reste 20 − 18 = 2 g de sel non dissous : Nina observe un dépôt de sel au fond du bécher. Le mélange est hétérogène, car on voit ce dépôt à l’œil nu ; le liquide au-dessus est une solution saturée. (1 pt : 0,5 pour le dépôt de 2 g, 0,5 pour « hétérogène » justifié) (1)
4. d)5 mL est le cinquième de 25 mL : dans 5 mL d’eau, on peut dissoudre au maximum 9 ÷ 5 = 1,8 g de sel. Il reste 2 g à dissoudre. Un seul ajout ne suffit pas, car 1,8 g < 2 g ; avec deux ajouts (10 mL), on peut dissoudre 2 × 1,8 = 3,6 g, et 2 g < 3,6 g. Il faut donc 2 ajouts au minimum (10 mL d’eau). (1 pt : 0,5 pour 1,8 g par ajout, 0,5 pour 2 ajouts justifiés) (1)

Erreur fréquente — penser que le plus petit sachet convient forcément : 10 g dépasse les 9 g permis dans 25 mL. Il faut comparer chaque masse à la masse maximale calculée pour le volume d’eau.

1. a)Un demi-disque représente 50 % : c’est trop peu pour le diazote (environ 78 %, soit un peu plus des trois quarts du disque). Un quart représente 25 % : c’est un peu trop pour le dioxygène (environ 21 %, à peu près un cinquième). Surtout, les autres gaz ne font qu’environ 1 % : leur secteur doit être minuscule, pas un quart. (1 pt : 0,5 pour l’erreur sur le diazote, 0,5 pour l’erreur sur les autres gaz ; l’écart sur le dioxygène n’est pas exigé) (1)
2. b)On pèse un ballon de football dégonflé, puis on le gonfle avec une pompe et on le pèse à nouveau : la masse augmente. L’air ajouté a donc une masse. (1 pt : 0,5 pour l’expérience, 0,5 pour le résultat et la conclusion) (1)
3. c)21 % de 60 L : 60 × 21 ÷ 100 = 12,6 L ; 78 % de 60 L : 60 × 78 ÷ 100 = 46,8 L : les calculs sont justes. Le reste, 60 − 12,6 − 46,8 = 0,6 L, n’est pas du vide : ce sont les autres gaz de l’air (argon, dioxyde de carbone, vapeur d’eau). (1 pt : 0,5 pour la vérification, 0,5 pour 0,6 L d’autres gaz) (1)
4. d)C’est faux de vouloir tout retirer : l’effet de serre naturel, dû notamment à la vapeur d’eau et au dioxyde de carbone, retient une partie de la chaleur et permet à la Terre d’avoir une température qui rend la vie possible ; sans lui, elle serait glaciale. Le problème est l’augmentation de ces gaz par les activités humaines (dioxyde de carbone des combustions, méthane de l’élevage et des rizières), qui renforce l’effet de serre et cause le réchauffement climatique : il faut limiter ces rejets. (1 pt : 0,5 pour le rôle utile de l’effet de serre naturel, 0,5 pour le renforcement dû aux activités humaines) (1)

Méthode — pour juger une information, refais les calculs, compare-la au cours ou à des sources sérieuses, et vérifie que les secteurs d’un diagramme correspondent aux pourcentages (moitié = 50 %, quart = 25 %).

1. a)Inès a raison : il se forme un gaz (les bulles) qui n’existait pas avant, donc une nouvelle substance est produite. Une simple dissolution, comme celle du sucre, ne produit pas de gaz. (1 pt : 0,5 pour Inès, 0,5 pour l’indice « production d’un gaz ») (1)
2. b)Le gaz formé est sorti du verre et s’est mélangé à l’air de la pièce : sa masse n’est plus sur la balance. Un gaz a une masse, comme l’air ; c’est ce gaz échappé qui « manque » : 254 − 253,4 = 0,6 g. (1 pt : 0,5 pour « le gaz s’échappe », 0,5 pour « un gaz a une masse ») (1)
3. c)On fait l’expérience dans une petite bouteille en plastique, avec un ballon de baudruche fixé sur le goulot dès que le comprimé est tombé dans l’eau. Le gaz formé ne s’échappe plus dans la pièce : il s’accumule et le ballon se gonfle. Cela montre qu’un gaz est produit et qu’il occupe un volume. (1 pt : 0,5 pour le ballon ou le récipient qui recueille le gaz, 0,5 pour le ballon qui se gonfle) (1)
4. d)Un changement de couleur n’est un indice de transformation chimique que s’il vient d’une substance nouvelle. Ici, les deux peintures sont seulement mélangées : le jaune et le bleu sont toujours là, mélangés, et notre œil voit du vert. C’est un mélange, pas une transformation chimique. (1 pt : 0,5 pour « simple mélange », 0,5 pour « aucune substance nouvelle ») (1)

Piège — un indice (couleur, gaz, chaleur) ne suffit pas tout seul : il faut se demander si une substance nouvelle est apparue. Mélanger deux couleurs n’en crée aucune.

1. a)Chauffer sans lunettes : il faut porter des lunettes de protection, car l’eau salée qui chauffe peut projeter des gouttes et des grains brûlants. Chauffer jusqu’à ce qu’il n’y ait plus du tout de liquide : quand il reste peu d’eau, le sel crépite et projette des grains brûlants ; on arrête le chauffage avant la fin, et la chaleur de la coupelle termine l’évaporation. (1 pt : 0,5 par erreur corrigée) (1)
2. b)La flamme signale un produit inflammable ; le point d’exclamation signale un produit nocif ou irritant (il peut par exemple irriter la peau ou les yeux). L’ajouter près de la flamme d’un brûleur risque de provoquer un incendie ; de plus, on n’utilise jamais un produit qui n’est pas prévu par le protocole. (1 pt : 0,5 pour les deux pictogrammes, 0,5 pour le danger d’incendie) (1)
3. c)Laisser le brûleur allumé : une flamme sans surveillance peut mettre le feu (surtout avec un produit inflammable sur la paillasse) ; on éteint le brûleur dès la fin du chauffage. Poser la coupelle brûlante sur le plateau en plastique : elle peut faire fondre le plastique, abîmer la balance et brûler la main ; on attend qu’elle refroidisse et on la prend avec une pince. (1 pt : 0,5 par erreur corrigée) (1)

Astuce — au laboratoire, on ne fait que ce que le protocole prévoit : un produit non demandé ne s’utilise jamais, et on n’abandonne jamais une flamme allumée.