Mélanger l'eau à d'autres liquides et à des gaz

1. Liquides miscibles et non miscibles

Faisons l'expérience dans des tubes à essais. Dans chaque tube, on verse de l'eau, puis un autre liquide, on agite et on laisse reposer.

• Deux liquides sont miscibles s'ils forment, après agitation et repos, un mélange homogène (une seule phase).
• Deux liquides sont non miscibles s'ils forment un mélange hétérogène : ils se séparent en deux phases (deux couches) séparées par une surface nette.

Quand on agite fortement de l'eau et de l'huile, on obtient un liquide trouble fait de fines gouttelettes d'huile dispersées dans l'eau : c'est une émulsion. Au repos, les gouttes se rassemblent et les deux phases réapparaissent.

Remarque surprenante : si l'on mélange 50 mL d'eau et 50 mL d'alcool, on obtient un peu moins de 100 mL de mélange. Les molécules d'alcool se glissent entre les molécules d'eau. En revanche, la masse se conserve.

2. Quel liquide se place au-dessus ?

Pour deux liquides non miscibles, le liquide le moins dense (celui qui a la plus petite masse volumique) se place au-dessus.

La masse volumique d'un corps est la masse d'une unité de volume : ρ = mV. Pour l'eau, ρ = 1 g/cm³ (1 g par mL).

C'est pourquoi une nappe de pétrole ou d'essence flotte sur le fleuve ou sur la mer et pollue la surface : elle empêche l'air de bien pénétrer dans l'eau et salit les berges.

3. Séparer deux liquides non miscibles : la décantation

Pour séparer de l'eau et de l'huile, on utilise une ampoule à décanter : un récipient en verre muni d'un robinet en bas.

À la maison, on fait une décantation simple quand on retire avec une louche la graisse qui flotte sur un bouillon.

4. L'eau contient des gaz dissous

Chauffe doucement de l'eau du robinet dans une casserole transparente. Bien avant l'ébullition, de petites bulles se forment sur les parois et montent. Ce n'est pas de la vapeur d'eau : c'est de l'air qui était dissous dans l'eau et qui s'en échappe quand elle chauffe.

L'eau naturelle contient donc de l'air dissous, en particulier du dioxygène : c'est lui que les poissons respirent grâce à leurs branchies. À 20 °C, une eau douce en contact avec l'air contient environ 9 mg de dioxygène par litre. C'est peu, mais cela suffit à la vie aquatique.

L'eau dissout aussi le dioxyde de carbone CO₂. Les boissons gazeuses sont de l'eau dans laquelle on a dissous beaucoup de CO₂ sous pression. Quand on ouvre la bouteille, la pression diminue et le gaz s'échappe en bulles. On reconnaît ce gaz car il trouble l'eau de chaux.

5. Des gaz très solubles

Certains gaz se dissolvent énormément dans l'eau : un litre d'eau peut dissoudre plusieurs centaines de litres de chlorure d'hydrogène (HCl) ou d'ammoniac (NH₃). On le montre par l'expérience du jet d'eau : un ballon rempli de gaz très soluble est retourné sur une cuve d'eau. Dès qu'un peu d'eau entre, le gaz se dissout, la pression dans le ballon chute, et l'eau est aspirée en un jet puissant.

La solution de chlorure d'hydrogène dans l'eau est l'acide chlorhydrique. La solution d'ammoniac est l'ammoniaque, utilisée comme produit d'entretien (à manipuler avec précaution : ses vapeurs irritent les yeux).

À l'inverse, le diazote et le dioxygène sont peu solubles dans l'eau.

6. Température et pression

La quantité de gaz qu'une eau peut dissoudre dépend :

• de la température : un gaz est moins soluble dans l'eau chaude que dans l'eau froide. À 30 °C, une eau contient moins de dioxygène (environ 7,5 mg/L) qu'à 20 °C. C'est pourquoi, en saison sèche, dans les mares chaudes et peu profondes, les poissons remontent à la surface pour chercher de l'air ;
• de la pression : un gaz est plus soluble quand la pression est forte. C'est ce qui permet de garder beaucoup de CO₂ dans une bouteille fermée.