Combien d'eau de mer faut-il pour faire du sel ?
― 3 seaux pour 1 kilo de sel. Le vrai travail, c'est la chaleur qui fait partir l'eau
Pour fabriquer un kilo de sel, il faut environ 30 litres d'eau de mer. Trois seaux : c'est peut-être moins que ce qu'on imaginait. Mais le vrai travail consiste à transformer en vapeur près de 29 des 30 kilos de cette eau.
Au retour de la plage. Vous frottez votre bras sec avec les doigts, et une poudre blanche s'en détache. L'eau de mer contient bel et bien du sel.
Mais si on faisait bouillir de l'eau de mer dans la cuisine, combien de sel en tirerait-on ? Imaginons une casserole pleine d'eau de mer, laissée à bouillir pendant de longues dizaines de minutes.
Au fond de la casserole, il ne reste que quelques cuillères à café de grains blancs. Vu la facture de gaz, ça ne semble pas très rentable.
Pourquoi est-ce si difficile de tirer du sel de l'eau de mer ? Deux raisons seulement
Le sel dissous dans l'eau de mer représente environ 3,4 % de sa masse. Pour obtenir 1 kg de sel, il faut environ 29 kg d'eau de mer. Autrement dit, il faut rejeter environ 28 fois plus d'eau que la quantité de sel qu'on veut garder.
La seule façon de se débarrasser de l'eau est de la vaporiser. La chaleur nécessaire pour vaporiser 1 kg d'eau est environ 6,7 fois plus grande que celle qu'il faut pour chauffer 1 kg d'eau de 20°C à 100°C. Faire du sel, c'est en réalité « faire partir l'eau ».
En combinant ces deux facteurs, on voit apparaître la quantité de chaleur nécessaire pour obtenir 1 kg de sel. Et on comprend aussi ce que faisaient les anciens sur la plage.
Combien d'eau faut-il évaporer pour 1 kg de sel ?
Sur 29 kg d'eau de mer, on ne veut garder que 1 kg de sel. Il faut donc transformer en vapeur les 28 kg d'eau restants. C'est comparable à faire bouillir trois seaux d'eau dans une casserole jusqu'à ce qu'elle soit vide.
Si l'on fait tout cela avec du gaz ou de l'électricité, la chaleur nécessaire atteint environ 64 mégajoules. Converti en électricité, cela représente environ 18 kilowattheures, soit environ deux jours de consommation électrique d'un foyer ordinaire. Or 1 kg de sel coûte à peine une centaine de yens au supermarché. Faire bouillir directement l'eau de mer n'est absolument pas rentable.
C'est pourquoi, depuis toujours, la fabrication du sel en bord de mer se fait en « deux étapes ». On laisse d'abord le soleil et le vent faire partir l'eau, pour obtenir une saumure concentrée (appelée kansui). Ce n'est qu'ensuite qu'on la chauffe au feu. Essayez de faire varier la concentration de la saumure avec le curseur de la figure 1.
Le marais salant (enden) est un dispositif qui capte cette « chaleur gratuite ». On étale l'eau de mer sur du sable pour la faire sécher, on récolte le sable chargé de sel, puis on le rince avec de l'eau de mer. On obtient ainsi une saumure bien plus concentrée que l'eau de mer d'origine. Le combustible n'intervient que dans la dernière étape, celle où l'on fait bouillir cette saumure.
Que se passe-t-il dans la casserole au fil de l'ébullition ?
L'eau de mer ne contient pas que du sel de cuisine. On y trouve aussi des sels de magnésium au goût amer, ainsi que des sels de calcium, à l'origine du plâtre (gypse). En faisant bouillir, ces substances apparaissent dans un ordre précis (figure 2).
Lorsque le volume est réduit à environ un cinquième, le gypse apparaîtrait d'abord, troublant légèrement le liquide. Réduit à environ un dixième, les cristaux de sel de cuisine finissent par apparaître. Le composant amer qui reste jusqu'au bout dans le liquide est le « nigari », utilisé pour faire cailler le tofu.
Les artisans du sel ne laissent jamais la casserole sécher complètement. Une fois que suffisamment de sel est sorti, ils récupèrent les cristaux et laissent de côté le liquide riche en nigari. Car si l'on faisait tout sécher, on obtiendrait un sel très amer.
Un adulte consomme en moyenne environ 10 grammes de sel par jour. Converti en eau de mer, cela représente environ 290 grammes, soit un verre et demi. Chaque jour, nous mangeons donc le résultat de cette quantité d'eau de mer asséchée par le soleil ou par le combustible.
Le Japon, pays aux pluies abondantes, n'est pas adapté aux vastes marais salants. Aujourd'hui, la production nationale de sel repose principalement sur une méthode qui utilise l'électricité pour concentrer le sel de l'eau de mer à travers une membrane, obtenant ainsi une saumure concentrée. L'idée de concentrer avant de faire bouillir reste la même qu'avec les marais salants.
En résumé
Il faut environ 30 litres d'eau de mer pour 1 kg de sel. Plus de 28 kg de cette eau doivent être transformés en vapeur. Comme la chaleur nécessaire pour vaporiser l'eau est considérable, tout faire au combustible représenterait environ deux jours d'électricité d'un foyer. C'est pourquoi on a toujours laissé le soleil et le vent faire le travail en premier.
Faire du sel, ce n'est pas rassembler du sel, c'est chasser l'eau.
Et depuis toujours, le soleil et le vent se chargent de la plus grande partie de cette chaleur.
L'importance de la chaleur nécessaire pour vaporiser l'eau est aussi au cœur de pourquoi un couvercle fait bouillir plus vite. Pour savoir pourquoi la mer est salée, voyez pourquoi l'eau de mer est-elle salée, et pour comprendre pourquoi le sel durcit avec l'humidité, consultez pourquoi le sucre et le sel durcissent.
- Si vous n'avez pas d'eau de mer, dissolvez 3,4 grammes de sel dans 100 grammes d'eau pour la remplacer.
- Étalez une fine couche sur une assiette plate, placez-la près d'une fenêtre ensoleillée. Comparez avec la même quantité chauffée à feu doux dans une petite casserole.
- Observez le temps nécessaire pour voir apparaître des cristaux blancs, et la quantité de sel restant à la fin. Dans les deux cas, il devrait rester un peu plus de 3 grammes.
Avec de la vraie eau de mer, juste avant que tout ne sèche, il reste une partie légèrement humide et amère : c'est le nigari. Si vous utilisez le feu, restez toujours à côté pour éviter que la casserole ne chauffe à vide.
Pour en savoir plus ― termes, formules et liens avec les manuelsDu niveau collège jusqu'aux matières spécialisées universitaires, chaque niveau est indiqué clairement
- Collègeniveau des sciences au collège
- Lycéeniveau « chimie » et « physique » au lycée
- Lycée+approfondissement du lycée, ou encart dans les manuels
- Universitécontenu non enseigné au lycée, relevant de matières spécialisées universitaires (génie chimique, chimie marine)
- Recherchesujet encore à l'étude, pas même enseigné comme « établi » à l'université
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Concentration massique (pourcentage en masse) : nombre indiquant quel pourcentage de la masse totale du liquide représente la substance dissoute. Le sel de l'eau de mer représente environ 3,4 %.
- Chaleur de vaporisation (chaleur latente) : chaleur nécessaire pour transformer un liquide en gaz à la même température. Pour l'eau, elle vaut environ 2,26 mégajoules par kilo.
- Recristallisation : phénomène où une substance qui ne peut plus se dissoudre ressort du liquide sous forme de cristaux. C'est ce qui se passe quand le sel apparaît en faisant bouillir l'eau de mer.
CollègeLycéeVérification par le calcul : combien d'eau de mer et de chaleur pour 1 kg de sel ?
À partir de la définition de la concentration, on calcule la quantité d'eau de mer nécessaire, puis la quantité d'eau à évaporer et la chaleur correspondante. Enfin, on compare avec le cas où l'on part d'une saumure déjà concentrée.
| En symboles | m = M ÷ s , mw = m − M , Q = L × mw |
| En mots | Eau de mer nécessaire = sel à produire ÷ concentration en sel. Eau à évaporer = eau de mer − sel. Chaleur nécessaire = chaleur de vaporisation × eau à évaporer |
| D'où viennent ces formules | La première découle directement de la définition de la concentration. La deuxième vient de la conservation de la masse : « le sel ne s'évapore pas, seule l'eau s'en va ». La troisième vient de la conservation de l'énergie : chaque kilo d'eau vaporisé demande une quantité de chaleur fixe. |
| Symbole | Signification et unité |
|---|---|
| M | Masse de sel à produire (kg) |
| s | Concentration en sel (proportion massique ; 3,4 % → 0,034) |
| m | Masse d'eau de mer (ou de saumure) nécessaire (kg) |
| mw | Masse d'eau à transformer en vapeur (kg) |
| L | Chaleur de vaporisation de l'eau (MJ/kg). Environ 2,26 à 100°C |
| Q | Chaleur nécessaire pour évaporer l'eau (MJ) |
| Sel à produire M | 1 kg |
| Concentration en sel de l'eau de mer s | 0,034 (3,4 %) |
| Chaleur de vaporisation de l'eau L | 2,26 MJ/kg |
| Conversion en électricité | 1 kWh = 3,6 MJ |
| Concentration de la saumure concentrée en marais salant (exemple) | 0,2 (20 %) |
| Eau de mer nécessaire m (kg) | 1 ÷ 0,034 ≒ 29,4 |
| Eau à évaporer mw (kg) | 29,4 − 1 = 28,4 |
| Chaleur nécessaire Q (MJ) | 28,4 × 2,26 ≒ 64,2 |
| Converti en électricité (kWh) | 64,2 ÷ 3,6 ≒ 17,8 |
| Quantité de saumure à 20 % (kg) | 1 ÷ 0,2 = 5 |
| Eau évaporée avec saumure à 20 % (kg) | 5 − 1 = 4 |
| Chaleur avec saumure à 20 % (MJ) | 4 × 2,26 ≒ 9,04 |
| Fraction de combustible économisée | 64,2 ÷ 9,04 ≒ 7,1 |
| Eau de mer correspondant à 10 g de sel par jour (g) | 10 ÷ 0,034 ≒ 294 |
Avec de l'eau de mer brute, il faut environ 64 mégajoules (environ 18 kilowattheures) de chaleur pour 1 kg de sel. En la concentrant d'abord à 20 %, le combustible nécessaire n'est plus qu'environ 1/7. Ce calcul ne tient pas compte de la chaleur pour chauffer l'eau jusqu'à 100°C, ni des pertes de la casserole. Dans la réalité, il faut donc davantage de combustible.
LycéeLycée+Pourquoi les cristaux apparaissent-ils « dans un ordre précis » ?
LycéeChaque substance a une limite de dissolution (solubilité) dans une quantité d'eau donnée. Le sel de cuisine peut se dissoudre jusqu'à environ 36 grammes dans 100 grammes d'eau à 20°C, et cette limite est atteinte quand l'eau de mer est réduite à environ un dixième par ébullition. Le gypse (sulfate de calcium) a une solubilité bien plus faible, donc il atteint sa limite et apparaît plus tôt.
Lycée+Le chlorure de magnésium, composant principal du nigari, a une solubilité très élevée. C'est pourquoi il reste dans le liquide jusqu'au bout. La méthode qui exploite les différences de solubilité pour séparer des substances s'appelle la cristallisation fractionnée (purification par recristallisation). La solubilité du sel de cuisine varie très peu avec la température, donc le refroidissement n'en fait pas beaucoup ressortir : il n'y a pas d'autre moyen de l'extraire que de faire évaporer l'eau.
UniversitéLe marais salant, conçu comme un « évaporateur solaire »
En génie chimique, on évalue l'efficacité d'un dispositif d'évaporation d'eau par les économies réalisées sur la « chaleur latente de vaporisation ». Dans les usines de production de sel, on utilise des évaporateurs à effets multiples (évaporation multi-effet), qui réutilisent la chaleur de la vapeur sortie d'un bac pour chauffer le bac suivant, réduisant le combustible à une fraction. La quantité d'évaporation dans un marais salant dépend du rayonnement solaire, de la vitesse du vent et de l'humidité ; elle s'estime avec des formules météorologiques d'évaporation (comme la formule de Penman).
📖 Pour la dérivation des formules et pour aller plus loin : Chaleur de vaporisation (Wikipédia, en japonais) / Marais salant (Wikipédia, en japonais)
RechercheCe qui n'est pas encore clairement établi
- Jusqu'où le nigari modifie-t-il le goût ? Une hypothèse veut que le magnésium et le potassium qui subsistent dans le sel créent une « rondeur » de goût, mais à partir de quelle quantité les gens perçoivent-ils réellement une différence reste incertain, avec de grandes variations individuelles.
- La salinité de la mer change-t-elle avec le réchauffement ? On observerait une tendance où les zones à forte évaporation deviennent plus salées, et celles à fortes pluies plus diluées. Comment ce changement se répercute sur les courants et le climat reste un sujet de recherche actif.
- Qu'est-ce qui détermine la forme des cristaux ? À la surface calme de l'eau, il arrive que se forment des cristaux de sel en forme de pyramide creuse. Les conditions précises — vitesse d'évaporation, mouvement du liquide — qui déterminent cette forme sont encore à l'étude.
Autrement dit, le contenu de cet article reste « une explication en l'état actuel des connaissances ». Les chiffres sont des valeurs représentatives, qui varient légèrement selon la zone maritime et la saison.
Liens avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière et chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences, 4e : « solutions » (pourcentage en masse, recristallisation) | Les 3,4 % de l'eau de mer, le sel qui apparaît en faisant bouillir |
| Lycée | Physique de base « chaleur », chimie de base « solubilité » | L'importance de la chaleur de vaporisation, l'ordre d'apparition des cristaux |
| Lycée+ | Chimie « solubilité des solides et cristallisation fractionnée » | Pourquoi le nigari reste jusqu'à la fin |
| Université | Génie chimique (opérations d'évaporation), météorologie (quantité d'évaporation) | Évaporateurs à effets multiples, estimation de l'évaporation en marais salant |
| Recherche | Chimie marine, science alimentaire | Variation de la salinité marine, différences de goût du sel |
| ― | Lien avec le quotidien | Le nigari et le tofu, le sel de mer non raffiné et le sel raffiné, la sensation de la facture d'électricité à la maison |
- 塩事業センター「塩百科」 (Japan Salt Industry Center, « Encyclopédie du sel »)
- 海水 (eau de mer) - Wikipédia (en japonais)
- 塩田 (marais salant) - Wikipédia (en japonais)
- Loi sur l'industrie du sel (塩事業法, promulguée en 1996 ; régit la fabrication et la distribution du sel au Japon)
- Observatoire astronomique national du Japon (éd.), *Rika Nenpyō* (理科年表, « Almanach des sciences »), Maruzen (chaleur de vaporisation de l'eau, solubilité des substances)
※Cet article est une explication scientifique grand public. Les valeurs indiquées sont des approximations destinées à faciliter la compréhension des mécanismes. La concentration de l'eau de mer varie selon la zone maritime et la saison. Lors d'expériences avec le feu, assurez-vous qu'un adulte soit présent, et vérifiez la sécurité du rivage avant de prélever de l'eau de mer.