Sel, sucre et robinet : fabriquer une solution et comprendre d'où vient l'eau potable

Tu as déjà mis trop de sucre dans un chocolat chaud ? Au début il disparaît, puis à un moment, il reste une couche au fond que rien ne fait partir. Et le matin, quand tu ouvres le robinet, l'eau qui coule a fait un long voyage depuis une rivière ou une nappe souterraine, avec plusieurs étapes de nettoyage. Ces deux histoires parlent de la même chose : des solutions, c'est-à-dire des liquides dans lesquels on a fait disparaître quelque chose.

Solvant, soluté, solution : trois mots pour une recette

Quand tu dissous du sel dans de l'eau, tu obtiens un mélange homogène qu'on appelle une solution. Dans ce mélange :

• l'eau est le solvant : c'est le liquide qui dissout ;
• le sel est le soluté : c'est la substance dissoute ;
• l'ensemble est la solution. Comme le solvant est de l'eau, on dit solution aqueuse.

Un moyen de ne pas se tromper : le solvant est celui qui est en plus grande quantité, et c'est lui qui « accueille » l'autre. Le soluté peut être un solide (sel, sucre, sirop en poudre), un liquide (le sirop de menthe, le vinaigre), ou même un gaz (le dioxyde de carbone des boissons pétillantes).

Préparer une solution, c'est simple : on mesure le solvant avec une éprouvette, on pèse le soluté avec une balance, on verse, on agite jusqu'à ce que le soluté ne soit plus visible. On dit que le soluté est soluble dans l'eau. Ce n'est pas le cas de tout : l'huile, le sable ou la craie ne se dissolvent pas, ils sont insolubles.

Exemple travaillé : l'eau sucrée. On verse 100 mL d'eau dans un verre, on pèse 20 g de sucre, on remue. Le sucre disparaît. La solution contient 20 g de soluté dans 100 mL de solvant. On peut décrire sa concentration : 20 g pour 100 mL, soit 200 g par litre. Plus il y a de soluté dans un même volume, plus la solution est concentrée. Avec 5 g, elle serait plus diluée.

La solubilité et la saturation : il y a une limite

Reprends ton chocolat trop sucré. Si tu continues à ajouter du sucre, à un moment il ne se dissout plus et reste au fond. La solution est saturée : le solvant ne peut plus accueillir de soluté. La quantité maximale que l'on peut dissoudre dans un litre d'eau s'appelle la solubilité.

Quelques valeurs, à 20 °C :

• sel de cuisine : environ 360 g par litre ;
• sucre : environ 2 000 g par litre (oui, deux kilos !) ;
• bicarbonate de soude : environ 96 g par litre.

Exemple travaillé : saturer de l'eau salée. Dans 250 mL d'eau, on peut dissoudre au maximum 360 ÷ 4 = 90 g de sel. Si tu en verses 100 g, 90 g se dissolvent et 10 g restent au fond : le mélange est devenu hétérogène. Ce dépôt est la preuve de la saturation.

La solubilité dépend de la température. Pour la plupart des solides, l'eau chaude dissout davantage : c'est pour cela que le sucre fond mieux dans le thé brûlant que dans le thé glacé. Pour les gaz, c'est l'inverse : une boisson gazeuse tiède perd ses bulles, parce que le dioxyde de carbone est moins soluble à chaud.

De la rivière au robinet : les étapes du traitement de l'eau

L'eau du robinet est une solution aqueuse : elle contient des sels minéraux dissous (calcium, magnésium, chlorures), que l'on peut lire sur une étiquette d'eau en bouteille. Mais l'eau prélevée dans la nature contient aussi des choses indésirables : terre, feuilles, microbes. Une usine de production d'eau potable la nettoie en plusieurs étapes, dans cet ordre :

1. Dégrillage : de grandes grilles retiennent les branches, plastiques, gros déchets.
2. Décantation : l'eau repose dans de grands bassins. On ajoute souvent un produit qui regroupe les particules fines en flocons (la floculation) ; ces flocons, plus lourds, tombent au fond.
3. Filtration : l'eau traverse d'épaisses couches de sable qui retiennent les particules restantes. Parfois, un filtre à charbon actif piège aussi les mauvaises odeurs et goûts.
4. Désinfection : on ajoute une petite dose de chlore (ou d'ozone, ou on expose l'eau aux ultraviolets) pour tuer les microbes. C'est pour cela que l'eau du robinet a parfois un léger goût de piscine.

Ensuite l'eau est stockée dans un château d'eau ou un réservoir, puis distribuée par des canalisations. Après usage, les eaux sales partent vers une station d'épuration, qui les nettoie avant de les rendre à la rivière. Attention, les deux usines ne font pas la même chose : l'une fabrique de l'eau à boire, l'autre nettoie l'eau usée.

Exemple travaillé : pourquoi la filtration ne suffit pas. Un filtre retient les particules solides : terre, sable, flocons. Mais il laisse passer tout ce qui est dissous, et aussi les microbes, bien trop petits. Voilà pourquoi la désinfection est indispensable, et pourquoi filtrer l'eau d'une rivière avec un tee-shirt ne la rend pas potable : elle devient claire, pas sûre. Limpide ne veut pas dire potable.

À retenir

• Une solution aqueuse = un solvant (l'eau) + un ou plusieurs solutés dissous ; c'est un mélange homogène.
• Un soluté est soluble s'il se dissout, insoluble sinon ; plus il y a de soluté dans un même volume, plus la solution est concentrée.
• Au-delà d'une certaine masse (la solubilité, environ 360 g/L pour le sel), la solution est saturée : le soluté en trop reste au fond.
• La solubilité des solides augmente généralement avec la température ; celle des gaz diminue.
• Eau potable : dégrillage, décantation (avec floculation), filtration sur sable, désinfection au chlore. Une eau limpide n'est pas forcément potable.

★ Pour aller plus loin

La mer Morte, entre Israël et la Jordanie, est une solution si concentrée en sels (environ dix fois plus que l'océan) qu'on y flotte sans effort, comme un bouchon. Sur ses rives, on voit des croûtes de sel : l'eau s'évapore, la solution devient saturée, et le sel cristallise. Les marais salants de Guérande fonctionnent exactement de la même façon, avec le soleil et le vent.

L'eau de mer contient en moyenne 35 g de sel par litre. Pour la rendre potable, certains pays très secs utilisent des usines de dessalement, qui coûtent cher en énergie. Une technique consiste à pousser l'eau à travers une membrane si fine que seules les molécules d'eau passent : l'osmose inverse. Il faut une pression énorme, plus de cinquante fois celle de l'air.

Dans un verre d'eau du robinet, il y a aussi du gaz dissous : le dioxygène de l'air. C'est lui que respirent les poissons grâce à leurs branchies. Quand un étang se réchauffe en été, le dioxygène y est moins soluble, et les poissons peuvent manquer d'air. La chimie des solutions, c'est aussi de l'écologie.

Sources pour creuser

• Livre : un documentaire jeunesse sur l'eau potable, à chercher en bibliothèque dans les collections « Kididoc » (Nathan) ou « Mes p'tits docs » (Milan) au mot-clé « eau ».
• Livre : Le grand livre des expériences de Nathalie Tordjman (Milan Jeunesse) : chapitre sur les cristaux de sel et de sucre.
• YouTube : chaîne « C'est pas sorcier », émissions « L'eau potable » et « Les marais salants ».
• YouTube : chaîne « Physique-Chimie au collège », recherche « solubilité saturation 5e ».
• lumni.fr : Collège → Physique-Chimie → « Traitement de l'eau » ; et le site du Centre d'information sur l'eau (chercher « CIEau » sur un moteur de recherche).