La résine échangeuse d’ions

Fabriquez un filtre qui peut purifier l'eau des métaux lourds !

Difficulté :
Danger :
Durée :
20 minutes
La résine échangeuse d’ions

Réactifs

Sécurité

  • Portez des gants et des lunettes de protection.
  • Réalisez l’expérience sur le plateau en plastique.
Règles générales de sécurité
  • Éviter tout contact des produits chimiques avec les yeux ou la bouche.
  • Éloigner les jeunes enfants, les animaux et les personnes sans équipement de protection des yeux de la zone où sont réalisées les expériences.
  • Ranger ce coffret d’expériences hors de portée des enfants de moins de 10 ans.
  • Nettoyer la totalité du matériel après utilisation.
  • S’assurer que tous les récipients sont hermétiquement fermés et convenablement stockés après utilisation.
  • S’assurer que tous les récipients vides sont correctement éliminés.
  • Ne pas utiliser d’autre matériel que celui fourni avec le coffret ou recommandé dans la notice d’utilisation.
  • Ne pas remettre les denrées alimentaires dans leur récipient d’origine. Les jeter immédiatement.
Informations générales de premiers soins
  • En cas de contact avec les yeux : laver abondamment à l’eau en maintenant les yeux ouverts si nécessaire. Consulter immédiatement un médecin.
  • En cas d’ingestion : rincer la bouche abondamment avec de l’eau, boire de l’eau fraîche. Ne pas faire vomir. Consulter immédiatement un médecin.
  • En cas d’inhalation : transporter la personne à l’extérieur.
  • En cas de contact avec la peau et de brûlures : laver abondamment à l’eau la zone touchée pendant au moins 10 minutes.
  • En cas de doute, consulter un médecin sans délai. Emporter le produit chimique et son récipient.
  • En cas de blessure, toujours consulter un médecin.
Conseils pour les adultes superviseurs
  • L’utilisation incorrecte des produits chimiques peut engendrer des blessures et nuire à la santé. Réaliser uniquement les expériences décrites dans les instructions.
  • Ce coffret d’expériences est à utiliser uniquement par des enfants de plus do 10 ans.
  • Compte tenu de très grandes variations des capacités des enfants, même au sein d’un groupe d’âge, il convient que les adultes surveillants apprécient avec sagesse quelles sont les expériences appropriées et sans risque pour les enfants. Il convient que les instructions permettent aux adultes surveillants d’évaluer chacune des expériences afin de pouvoir déterminer son adéquation à un enfant particulier.
  • Il convient que l’adulte surveillant s’entretienne des avertissements et des informations de sécurité avec l’enfant ou les enfants avant de commencer les expériences. Il convient d’accorder une attention particulière à la sécurité lors de la manipulation d’acides, d’alcalis et de liquides inflammables.
  • Il convient que la zone où sont réalisées les expériences soit sans obstacle et ne soit pas située près d’une réserve de denrées alimentaires. Il convient qu’elle soit bien éclairée et aérée, et à proximité d’une adduction d’eau. Il convient d’utiliser une table solide dont la surface est résistante à la chaleur.
  • Il convient d’utiliser complètement les substances contenues dans des emballages non refermables au cours d’une expérience, c’est-à-dire après l’ouverture de l’emballage.

FAQ et dépannage

J'ai versé de la résine dans la pipette au-dessus du repère des 2,5 ml. Que dois-je faire ?

Ce n’est pas très grave. Pour éliminer l'excès de résine, pincez le filtre au repère des 2,5 ml et videz le surplus dans le tube à essai. Continuez l'expérience.

Le deuxième cylindre de coton dépasse légèrement. Que dois-je faire ?

Le cylindre ne doit pas dépasser en haut. Poussez-le doucement vers l'intérieur. La résine doit être bien comprimée.

Pourquoi ai-je besoin du premier tube à essai ?

Vous l'utiliserez pour comparer les propriétés des solutions filtrées et non filtrées. Vous pourrez ainsi vérifier l'efficacité de votre filtre !

Puis-je utiliser le filtre après avoir ajouté du (NH4)2CO3 ?

Oui ! Vous vous êtes débarrassé du cuivre à l'aide de carbonate d'ammonium pour que la résine puisse être réutilisée. Versez un peu plus de solution de sulfate de cuivre à travers le filtre et collectez le liquide filtré dans un nouveau tube à essai.

La solution filtrée reste bleue. Que s'est-il passé ?

Ça arrive parfois lorsque la résine n’est pas suffisamment dense dans la pipette. Prenez une autre pipette dans le coffret, remplissez-la de résine et essayez de la comprimer plus fermement à l'aide de cylindres de coton et d'une baguette en bois.

Instructions pas à pas

Préparez un filtre en résine échangeuse d'ions. Pour augmenter son efficacité, compressez légèrement la résine à l'aide de cylindres de coton et d'une baguette en bois.

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Préparez le support pour tubes à essai.

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Contaminez de l'eau avec du sulfate de cuivre CuSO4. Le cuivre fait ici office de métal lourd.

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Versez une partie de l'eau contaminée directement dans le premier tube à essai. Vous en aurez besoin plus tard pour vous aider à évaluer l'efficacité de votre filtre.

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Ensuite, effectuez un test qualitatif des ions cuivre Cu2+ en ajoutant du carbonate d'ammonium (NH4)2CO3 aux tubes à essai. Si une solution contient des ions cuivre, le liquide deviendra bleu. Si votre filtre réussit à purifier l'eau du deuxième tube à essai, cette eau restera limpide.

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Que se passe-t-il si vous appliquez du carbonate d'ammonium sur le filtre ?

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Lavez les tubes à essai pour recommencer l’expérience.

Résultat attendu

Le filtre en résine échangeuse d'ions que vous avez fabriqué purifie l'eau des ions d'un métal lourd : le cuivre.

La réaction entre le carbonate d'ammonium (NH4)2CO3 et les ions cuivre Cu2+ change la couleur de la solution initiale du bleu clair à l'indigo foncé. L'échantillon d'eau purifiée à travers le filtre demeure incolore, prouvant ainsi l'efficacité du filtre.

En ajoutant quelques gouttes de carbonate d'ammonium dans le filtre, on peut révéler les ions cuivre qui restent sur la résine échangeuse d'ions.

Élimination des déchets

Éliminez les déchets solides avec les ordures ménagères. Videz les solutions dans l’évier et rincez abondamment à l’eau.

Description scientifique

Les centrales électriques, les usines et les voitures produisent toutes des rejets polluants. Ces rejets polluent non seulement l’air que nous respirons, mais ils salissent également notre eau. Ces ions de métaux lourds sont nocifs et doivent donc être éliminés de l'eau potable.

On utilise des ions cuivre  pour tester le filtre car ils sont identifiables avec un simple test qualitatif. Les filtres à base de résine fonctionnent aussi sur d'autres ions de métaux lourds .

Ces résines sont des polymères longs auxquels des ions de métaux alcalins tels que des ions sodium  sont « attachés ». Les ions de métaux lourds  remplacent les ions sodium , s'accrochant à la résine. Pendant ce temps, les molécules d'eau  passent librement à travers. Les ions sodium , comestibles en petites quantités, remplacent les ions de métaux lourds dangereux dans l'eau.

Si ce filtre est efficace contre les métaux lourds, il est en revanche impuissant contre de nombreux polluants organiques . Le charbon actif peut se débarrasser de ce type de matériaux, comme vous avez pu le voir dans une autre expérience de ce coffret.

Ça, c’est intéressant !

Pourquoi les métaux se remplacent-ils ?

La résine fonctionne par échange d'ions, un processus chimique réversible durant lequel des ions sont échangés entre un solide et une solution. Ici, les ions chargés négativement se fixent de manière rigide à la matrice des grains de résine. Ces ions se concentrent à la surface de la résine. Ils sont équilibrés par des ions chargés positivement comme le sodium Na+, qui se déplacent librement à travers les pores de la résine.

Dans l'eau, le sulfate de cuivre CuSO4 se divise en ions : Cu+2 à charge positive et SO−4 à charge négative. Lorsque la solution polluée traverse la résine, la surface de la résine capte les ions métalliques Cu+2, libérant des ions sodium Na+ dans la solution. Chaque grain de résine accumule ces charges jusqu'à un certain point, au-delà duquel il doit être nettoyé des particules chargées inutiles. Une solution de sel de table NaCl est alors utilisée pour retirer les ions de la surface de la résine du filtre. Les ions nocifs sont rincés dans l'évier, et l'espace libre est à nouveau rempli d'ions sodium. C'est ce qu'on appelle la régénération ou le recyclage de la résine.

Métaux lourds dans l'eau

Les métaux lourds sont une famille d'éléments chimiques généralement toxiques pour l'homme, surtout s'ils sont présents en quantités non négligeables. Dans l'eau, ils existent normalement sous la forme de particules chargées positivement (cations), comme par exemple le cuivre Cu2+,
le plomb Pb2+ ou le fer Fe3+.

Étonnamment, notre corps a besoin de certains métaux lourds, tels que le fer Fe, le zinc Zn, le cuivre Cu et le molybdène Mo, en petites quantités. Cependant, ceux-ci deviennent nocifs en plus grandes quantités. En revanche, les métaux lourds comme le plomb, le cadmium et le mercure sont nocifs pour notre corps, même à petites doses.

On trouve de nombreux métaux lourds dans l'eau sous forme de cations. Ceux-ci doivent être filtrés pour que l'eau soit rendue potable. On peut utiliser un filtre en résine échangeuse d'ions pour y parvenir.