Décantation, filtration par gravité et transfert de liquide

G.Patton

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Introduction.

Dans cette rubrique, je vais passer en revue quelques techniques de laboratoire importantes. Il est difficile de surestimer l'utilité et l'importance de ces opérations. La décantation, la filtration par gravité et le transfert de liquide sont des opérations simples, mais qui demandent de l'attention et un peu d'habileté en laboratoire. Les pratiquer est la meilleure façon d'apprendre à se comporter en laboratoire et à effectuer les manipulations les plus simples. Vous pourrez ensuite aborder des thèmes plus complexes, tels que la filtration par aspiration, la recristallisation et la filtration à chaud et, enfin, la distillation et les systèmes de distillation. Si vous avez peu de connaissances en matière de laboratoire et que vous avez des difficultés avec les noms de la verrerie dans ce thème ou dans les thèmes liés ci-dessus, vous pouvez utiliser ce sujet comme conseil.

Décantation.

Lorsqu'il est nécessaire de séparer un mélange solide-liquide, il est parfois possible de verser le liquide en laissant le solide. Ce processus, appelé décantation, est la méthode de séparation la plus simple. La décantation est souvent utilisée pour éliminer le sulfate de sodium hydraté (Na2SO4) d'une solution organique. Le sulfate de sodium s'accroche souvent à la verrerie (Fig.1 a), ce qui permet de verser le liquide (Fig.1 b). Si le liquide doit être versé dans un petit récipient, on peut utiliser un entonnoir ou verser le liquide sur un agitateur en verre pour diriger le flux (Fig.1 c). Malheureusement, de nombreux mélanges ne se décantent pas bien.
Fig.
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a) Sulfate de sodium collant à la verrerie, b) Décantation d'un mélange solide-liquide, c) Utilisation d'un agitateur en verre pendant la décantation.

La décantation est un processus qui permet de séparer les composants d'un mélange en fonction de leurs différences de densité. Vous pouvez rencontrer la décantation dans la vie de tous les jours avec du vin ou des spiritueux, mais c'est aussi une technique puissante en chimie pour séparer un solide d'un liquide ou isoler deux liquides non miscibles. La décantation est facile, mais elle présente l'inconvénient de ne pas permettre une séparation parfaite des composants du mélange. Une petite quantité d'un composant est perdue lors de la collecte de l'autre composant, ou bien la collecte va trop loin et la collecte est contaminée par le second composant.

Comment fonctionne la décantation ?
La décantation comporte deux étapes.
  • La sédimentation : La sédimentation utilise la gravité ou une centrifugeuse pour séparer les composants du mélange en fonction de leur densité.
  • La décantation : La décantation consiste à verser ou à siphonner le composant supérieur d'un mélange ou à drainer le composant inférieur.
Un composant solide est appelé "sédiment" (ou "culot" en cas de centrifugation). Le composant liquide recueilli est appelé "décantation".
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Le principe de base de la décantation est que les substances plus lourdes (plus denses) coulent, tandis que les substances plus légères (moins denses) flottent. Dans sa forme la plus simple, la décantation utilise la gravité pour séparer un solide et un liquide ou deux liquides non miscibles. Le composant le plus léger est versé ou siphonné sur le dessus du mélange. On peut également utiliser une ampoule à décanter pour évacuer le composant le plus lourd.

Les petits volumes sont décantés à l'aide de tubes à essai inclinés à 45 degrés dans un porte-tubes. L'angle permet aux particules les plus lourdes de glisser le long du tube, tandis que les particules les plus légères remontent vers le haut. L'angle facilite également le versement du composant le plus léger. Le versement du liquide est plus facile s'il est effectué le long d'un agitateur. Le processus de décantation est plus lent si les tubes à essai sont maintenus à la verticale, car le composant le plus lourd peut former un bouchon et empêcher les particules plus légères de remonter.

La centrifugation accélère la décantation en appliquant une force centrifuge et centripète. En fait, la gravité artificielle sépare plus rapidement les composants du mélange. La centrifugation compacte les composants solides en une pastille. Le fait de verser le liquide à l'écart du culot entraîne moins de pertes que lors d'une simple décantation. Une ampoule à décanter décante les composants de mélanges de liquides non miscibles. Un composant flotte au-dessus de l'autre. L'entonnoir draine le composant au fond de l'entonnoir.

Méthodes de filtrage.

De nombreuses méthodes sont utilisées pour séparer un mélange contenant un solide et un liquide. Si le solide se dépose bien, le liquide peut parfois être versé (décanté). Si le solide contient des particules de très petite taille ou forme un mélange trouble, le mélange peut parfois être centrifugé ou passé à travers une pipette filtrante (à l'échelle microscopique, < 5 ml). Les méthodes les plus courantes de séparation solide-liquide dans le laboratoire de biologie sont la filtration par gravité et la filtration par aspiration. La filtration par gravité consiste à verser un mélange solide-liquide dans un entonnoir contenant un papier filtre, ce qui permet au liquide de s'infiltrer tout en retenant le solide sur le papier (Fig.1 a). La filtration par aspiration est un processus similaire, la différence étant l'application d'un vide sous l'entonnoir pour tirer le liquide à travers le papier filtre par aspiration (Fig.1 b).
Fig.
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a) Filtration par gravité, b) Filtration par aspiration.

La filtration par gravité et la filtration par aspiration ont des avantages et des inconvénients, mais ce qui permet de décider de la méthode à utiliser est généralement de savoir si le solide ou le filtrat doit être retenu. Le "filtrat" désigne le liquide qui a traversé un papier filtre (comme indiqué à la figure 1 a). La filtration par gravité est généralement utilisée lorsque le filtrat est retenu, tandis que la filtration par aspiration est utilisée lorsque le solide est retenu. La filtration par gravité est préférable lorsque le filtrat est retenu, car l'aspiration peut entraîner de petites particules solides à travers les pores du papier filtre, ce qui peut produire un filtrat contaminé par le composé solide. La filtration par aspiration est préférable lorsque le solide est retenu, car la filtration par gravité est beaucoup moins efficace pour éliminer le liquide résiduel du solide sur le papier filtre.

Filtration par gravité.

Lorsqu'il est nécessaire de séparer un mélange solide-liquide, il est fréquent que les particules soient si fines qu'elles tourbillonnent et se dispersent lorsque le flacon est incliné. Ces mélanges ne peuvent pas être décantés et une méthode alternative est la filtration par gravité. La filtration par gravité est généralement utilisée lorsque le filtrat (le liquide qui a traversé le papier filtre) est conservé, tandis que le solide sur le papier filtre est jeté. La filtration par gravité est couramment utilisée pour séparer le sulfate de magnésium anhydre (MgSO4) d'une solution organique qu'il a séchée (Fig. b). Le sulfate de magnésium anhydre est pulvérulent et, en le faisant tourbillonner dans un solvant organique, il crée une fine dispersion de particules, comme une boule de neige.
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a) Une solution organique séchée avec du sulfate de magnésium anhydre, b) Filtration par gravité de cette solution.

Pour filtrer par gravité un mélange, il faut le verser à travers un papier filtre plié en quatre (Fig. 4) ou un papier filtre cannelé dans un entonnoir et laisser le liquide filtrer en utilisant uniquement la force de gravité (Fig. 3 c). Il est préférable de verser le liquide comme s'il s'agissait d'une décantation, c'est-à-dire de maintenir le solide dans la fiole aussi longtemps que possible. Lorsque le solide commence à se déverser sur le papier filtre, il risque de boucher les pores du papier filtre ou de ralentir la filtration. Après avoir fini de verser, rincer le solide sur le papier filtre (et dans la fiole) avec quelques portions de solvant frais pour éliminer les composés résiduels qui adhèrent au solide.
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Transférer des liquides.

Verser des liquides.
Lorsque vous transférez des liquides dont le volume est supérieur à 5 ml, vous pouvez les verser directement dans les récipients. Les cylindres et les béchers gradués ont un creux dans leur embouchure, ce qui permet de les verser de manière contrôlée tant que les deux morceaux de verre se touchent (Fig.5 a). Si l'on verse à partir d'un erlenmeyer ou si l'on transfère un liquide dans un récipient à l'embouchure étroite (par exemple un ballon à fond rond), il convient d'utiliser un entonnoir. Les entonnoirs peuvent être solidement maintenus à l'aide d'une pince à anneau (Fig.5 b), ou tenus d'une main tout en versant de l'autre (Fig.5 c).
Fig.
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a) Versement d'un liquide, b) Versement dans un entonnoir tenu avec une pince à anneau, c) Versement dans un entonnoir tenu à la main.

Commentaires sur les mesures.
Pour déterminer un rendement significatif pour une réaction chimique, il est important d'avoir des mesures précises sur le réactif limitant. Il est moins important d'être précis lorsque l'on manipule un réactif en excès, surtout si le réactif est plusieurs fois en excès.

Une partie du liquide mesuré par un cylindre gradué reste toujours accrochée à la verrerie après avoir été versée, ce qui signifie que le volume réel distribué n'est jamais équivalent aux marques sur le cylindre. Par conséquent, les cylindres gradués peuvent être utilisés pour distribuer des solvants ou des liquides en excès, tandis que des méthodes plus précises (par exemple la masse, les pipettes calibrées ou les seringues) doivent être utilisées pour distribuer ou mesurer le réactif limitant. Un cylindre gradué peut être utilisé pour distribuer un réactif limitant si une masse ultérieure est déterminée pour trouver la quantité précise réellement distribuée.
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a) un anneau de liège sur une balance analytique, b) un bécher sur une balance à plateaux.

Lorsque l'on détermine la masse d'un récipient sur une balance, il est préférable de ne pas inclure la masse d'un anneau de liège (Fig.6 a) ou d'un autre support (par exemple le bécher de la Fig.6 b). Un anneau de liège peut être mouillé, des réactifs peuvent être renversés dessus ou des morceaux de liège peuvent tomber, entraînant des changements de masse qui ne peuvent pas être pris en compte. Les béchers utilisés pour soutenir les flacons peuvent être mélangés, et chaque bécher de 100 ml n'a pas la même masse. Il est également préférable de transporter les récipients contenant des produits chimiques vers la balance dans des conteneurs scellés, afin de minimiser les vapeurs et d'éviter tout risque de déversement pendant le transport.

Utilisation de pipettes Pasteur.
Les pipettes Pasteur (ou pipettes) sont l'outil le plus couramment utilisé pour transférer de petits volumes de liquides (< 5 ml) d'un récipient à l'autre. Elles sont considérées comme jetables, bien que certaines institutions puissent les nettoyer et les réutiliser si elles disposent d'une méthode permettant d'éviter que les pointes fragiles ne se cassent.
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a) Pipettes courtes et longues, b) 1ml marqué sur une pipette avec un marqueur permanent.

Les pipettes Pasteur existent en deux tailles (Fig.7 a) : courte (5.75") et longue (9"). Chacune peut contenir environ 1,5 ml de liquide, bien que le volume délivré dépende de la taille de la poire compte-gouttes. La règle générale selon laquelle "1 ml équivaut à 20 gouttes" ne s'applique pas toujours aux pipettes Pasteur et peut varier d'une pipette à l'autre. Le rapport de gouttes pour une pipette et une solution données peut être déterminé en comptant les gouttes jusqu'à ce que 1mL s'accumule dans un cylindre gradué. Il est également possible de calibrer approximativement une pipette en prélevant 1 ml de liquide dans un cylindre gradué et en marquant la ligne de volume avec un marqueur permanent (Fig.7 b).
Fig.
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a et b) Création d'une aspiration avec une pipette Pasteur, c) Distribution d'un liquide à partir d'une pipette Pasteur, d) Distribution incorrecte d'un réactif (le liquide ne doit pas toucher les parois du verre).

Pour utiliser une pipette, fixez une poire compte-gouttes et placez l'embout de la pipette dans le liquide. Pressez puis relâchez la poire pour créer une aspiration, ce qui fera sortir le liquide dans la pipette (Fig.8 a et b). En maintenant la pipette verticale, amenez-la vers la fiole où elle doit être transférée, et positionnez la pointe de la pipette sous le joint de la fiole sans toucher les côtés avant d'appuyer sur la poire pour délivrer le matériau dans la fiole (Fig.7 c). La poire peut être pressée plusieurs fois par la suite pour "souffler" le liquide résiduel de la pipette.

Si la fiole de réception est munie d'un joint en verre rodé, la pointe de la pipette doit se trouver en dessous du joint lors de la distribution afin que le liquide n'éclabousse pas le joint, ce qui provoque parfois le gel des pièces lorsqu'elles sont connectées. Si la pipette doit être réutilisée (c'est par exemple la pipette désignée pour un flacon de réactifs), elle doit être tenue de façon à ne pas toucher la verrerie, où elle pourrait être contaminée par d'autres réactifs dans le flacon (Fig.7 d).

Utilisation de pipettes calibrées.

Pipettes en plastique calibrées.
Lorsqu'une certaine précision est nécessaire pour distribuer de petits volumes de liquide (1 à 2 ml), un cylindre gradué n'est pas idéal car l'action de verser entraîne une perte importante de matière. Les pipettes en plastique calibrées sont marquées par incréments de 0,25 ml pour une pipette de 1 ml et constituent un moyen économique de distribuer des volumes relativement précis.
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a) Pipette en plastique calibrée de 1 ml, b) Aspiration du liquide, c) Enfoncement de la poire jusqu'au volume requis (la flèche pointe vers le repère de 1 ml), d et e) Transfert du liquide.

Pour utiliser une pipette en plastique calibrée, prélevez un peu de liquide à transférer dans la poire comme d'habitude (Fig.9 b). Pressez ensuite la poire juste assez pour que le liquide s'écoule jusqu'au volume désiré (Fig.9 c), et maintenez votre position. Tout en maintenant la poire enfoncée, de façon à ce que le liquide atteigne le volume souhaité, déplacez rapidement la pipette vers le flacon de transfert (Fig.9 d), et enfoncez encore la poire pour envoyer le liquide dans le flacon (Fig.9 e).

Pipettes en verre calibrées.
Lorsqu'un haut niveau de précision est nécessaire pour distribuer des liquides, il est possible d'utiliser des pipettes en verre calibrées (volumétriques ou graduées). Les pipettes volumétriques sont dotées d'un bulbe en verre au sommet de leur col et ne peuvent distribuer qu'un certain volume (par exemple, la pipette supérieure de la figure 10 est une pipette de 10,00 ml). Les pipettes graduées (pipettes Mohr) ont des repères qui leur permettent de distribuer plusieurs volumes. Les deux pipettes doivent être connectées à une poire à pipette pour assurer l'aspiration.
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Les marques de volume sur une pipette graduée indiquent le volume délivré, ce qui peut sembler un peu "à l'envers" à première vue. Par exemple, lorsqu'une pipette graduée est tenue verticalement, le marquage le plus élevé est 0,0 ml, ce qui indique qu'aucun volume n'a été délivré alors que la pipette est encore pleine. Au fur et à mesure que le liquide s'écoule dans un récipient, les repères de volume augmentent sur la pipette, le repère le plus bas correspondant souvent à la capacité totale de la pipette (par exemple, 1,0 ml pour une pipette de 1,0 ml).

Les pipettes graduées peuvent délivrer n'importe quel volume de liquide, ce qui est rendu possible par les différences de marquage des volumes. Par exemple, une pipette de 1,0 ml peut être utilisée pour délivrer 0,4 ml de liquide : a) en prélevant du liquide jusqu'au repère de 0,0 ml, puis en drainant et en délivrant du liquide jusqu'au repère de 0,4 ml, ou b) en prélevant du liquide jusqu'au repère de 0,2 ml, puis en drainant et en délivrant du liquide jusqu'au repère de 0,6 ml (ou toute autre combinaison où la différence de volume est de 0,4 ml).

Il est important d'observer attentivement les marques sur une pipette graduée. Trois pipettes différentes de 1 ml sont illustrées à la figure 11 a. La pipette la plus à gauche comporte des repères tous les 0,1 ml, mais pas de repères intermédiaires, et est donc moins précise que les deux autres pipettes de la figure 11 a. Les deux autres pipettes diffèrent par les repères situés sur le fond. Le repère le plus bas de la pipette du milieu est de 1 ml, tandis que le repère le plus bas de la pipette la plus à droite est de 0,9 ml. Pour délivrer 1,00 ml avec la pipette du milieu, le liquide doit être drainé de la marque 0,00 ml à la marque 1,00 ml, et le dernier pouce de liquide doit être conservé. Pour obtenir 1,00 ml avec la pipette la plus à droite, le liquide doit être drainé de la marque 0,00 ml jusqu'à la pointe, avec l'intention d'obtenir la capacité totale.
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a) Bas des pipettes, b) Haut des pipettes

Les pipettes sont calibrées "pour délivrer" (TD) ou "pour contenir" (TC) au volume marqué. Les pipettes sont marquées T.C. ou T.D. pour différencier ces deux types de pipettes, et les pipettes à livrer sont également marquées d'un double anneau près du sommet (Fig.12 b). Après avoir vidé une pipette "à distribuer", il faut toucher l'embout sur le côté de la fiole pour retirer les gouttes qui y restent accrochées, et une petite quantité de liquide résiduel demeurera dans l'embout. Une pipette "à distribuer" est calibrée pour ne délivrer que le liquide qui s'écoule librement de la pointe. Cependant, après avoir vidé une pipette "à contenir", le liquide résiduel dans la pointe doit être "expulsé" sous la pression d'une poire à pipette. Les pipettes "à contenir" peuvent être utiles pour distribuer des liquides visqueux, où le solvant peut être utilisé pour laver l'ensemble du contenu.
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a et b) Aspiration de la pipette, c) Prélèvement du liquide au-delà du volume désiré, d) La poire est relâchée et l'extrémité de la pipette est scellée avec un doigt pour maintenir la position du liquide.

Cette section décrit les méthodes d'utilisation d'une pipette en verre calibrée. Ces méthodes s'appliquent à une pipette propre et sèche. Si la pointe de la pipette contient des résidus de liquide provenant de l'eau ou d'une utilisation antérieure avec une solution alternative, il convient d'utiliser une pipette neuve. Sinon, si le réactif n'est pas particulièrement cher ou réactif, la pipette peut être "conditionnée" avec le réactif pour éliminer le liquide résiduel. Pour conditionner une pipette, rincez-la deux fois avec un volume complet de réactif et recueillez le liquide de rinçage dans un conteneur à déchets. Après deux rinçages, tout liquide résiduel dans la pipette aura été remplacé par le réactif. Lorsque le réactif est ensuite prélevé dans la pipette, il n'est ni dilué ni altéré.

Pour utiliser une pipette en verre calibrée.
  1. Placer la pointe de la pipette dans le réactif, presser la poire et la relier à la partie supérieure de la pipette (Fig.12 a et b).
  2. Relâchez partiellement la pression sur la poire pour créer une aspiration, mais ne relâchez pas complètement votre main, car vous risqueriez de créer un vide trop important, ce qui entraînerait une aspiration violente du liquide dans la poire de la pipette. La succion doit être appliquée jusqu'à ce que le liquide dépasse de peu la marque souhaitée (Fig.12 c).
  3. Rompre le sceau et retirer l'ampoule de la pipette, puis placer rapidement le doigt sur la pipette pour empêcher le liquide de s'écouler (Fig.12 d).
  4. Par un léger mouvement d'agitation ou un léger relâchement de la pression de votre doigt, laissez entrer de minuscules quantités d'air dans la partie supérieure de la pipette afin de drainer lentement et de manière contrôlée le liquide jusqu'à ce que le ménisque atteigne le volume souhaité (la figure 13 a montre un volume de 0,00 ml).
  5. En tenant fermement le haut de la pipette avec votre doigt, amenez la pipette vers le flacon où le liquide doit être délivré et laissez à nouveau entrer de minuscules quantités d'air dans le haut de la pipette pour drainer lentement le liquide jusqu'à la marque souhaitée (les figures 13 b et 13 c montrent que le volume délivré est légèrement inférieur à 0,20 ml).
  6. Touchez l'extrémité de la pipette sur le côté du récipient pour déloger les gouttes suspendues et retirez la pipette.
  7. Si le liquide a été drainé au fond de la pipette avec une pipette T.C., utiliser la pression d'une poire à pipette pour souffler la goutte résiduelle. Ne pas souffler la goutte résiduelle lors de l'utilisation d'une pipette T.D.
  8. Si une pipette volumétrique est utilisée, le liquide doit être aspiré jusqu'à la ligne marquée au-dessus de l'ampoule de verre (indiquée à la figure 13 d). Le liquide peut être drainé dans le nouveau récipient en dégageant complètement le doigt du dessus. Lorsque le liquide cesse de s'écouler, l'extrémité doit être touchée sur le côté de la fiole pour retirer toute goutte accrochée, mais la goutte résiduelle ne doit pas être forcée à sortir (comme avec une pipette T.D.).
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a) Liquide rouge jusqu'à la marque de 0 ml, b) Livraison du réactif, c) Volume final, d) Pipette jaugée (la flèche indique la marque de remplissage).

Distribution de liquides très volatils.
Lorsque l'on tente de distribuer des liquides très volatils (par exemple l'éther diéthylique) à l'aide d'une pipette, il est très fréquent que le liquide s'écoule de la pipette, même en l'absence de pression de la poire compte-gouttes ! Cela se produit lorsque le liquide s'évapore dans l'espace de tête de la pipette et que la vapeur supplémentaire fait que la pression de l'espace de tête dépasse la pression atmosphérique. Pour éviter qu'une pipette ne s'égoutte, retirez et expulsez plusieurs fois le liquide dans la pipette. Une fois que l'espace de tête est saturé par les vapeurs de solvant, la pipette ne goutte plus.

Verser des liquides chauds.
Il peut être difficile de manipuler à mains nues un récipient contenant un liquide chaud. Si vous versez un liquide chaud à partir d'un bécher, vous pouvez utiliser une protection en silicone pour les mains chaudes (Fig.14 a) ou une pince à bécher (Fig.14 b et c).
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a) un protège-mains chaud, b et c) une pince à bécher, d) un porte-serviette en papier.

Pour verser un liquide chaud à partir d'un erlenmeyer, on peut également utiliser des protège-mains chauds, mais ils ne maintiennent pas très bien la forme peu pratique de l'erlenmeyer. Pour verser un liquide chaud d'un erlenmeyer, il est possible d'utiliser un "porte-serviette" de fortune. Une longue section d'essuie-tout est pliée plusieurs fois dans un sens jusqu'à ce qu'elle atteigne une épaisseur d'environ un pouce (et fixée avec du ruban adhésif si nécessaire, Fig.15 a). Cette serviette en papier pliée peut être enroulée autour du haut d'un bécher ou d'une fiole Erlenmeyer et pincée pour maintenir la fiole (Fig.14 d et Fig. 15 b).

Lorsque vous versez un liquide chaud à partir d'un erlenmeyer, le porte-essuie-tout doit être suffisamment étroit pour que l'essuie-tout n'atteigne pas le haut de l'erlenmeyer. Si c'est le cas, le liquide s'écoulera vers le papier au fur et à mesure qu'il est versé, ce qui affaiblira le support et éliminera peut-être une solution précieuse (Fig. 15 c). Lorsque la serviette en papier est à une certaine distance du sommet de la fiole, le liquide peut être versé de la fiole sans absorber le liquide (Fig. 15 d).
Fig.
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a) Porte-essuie-tout, b) Tenue d'un erlenmeyer avec un porte-essuie-tout, c) Un porte-essuie-tout trop large, provoquant une mèche de liquide sur le papier lors du versement, d) Un porte-essuie-tout plus étroit, qui permet de verser le liquide sans mèche de papier.

Conclusion.

J'espère que ce manuel vous a fourni les informations nécessaires que vous recherchiez. J'ai décrit les trois méthodes aussi bien que possible. Si vous avez encore des questions, vous pouvez me les poser ici.
 
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