Leçon 6. Séparation des srrbstances

IL La matière et ses changements

Leçon _6. Séparation des srrbstances

aGaaGGaaaa -x-x-x- î î î î I î î î î î

En chimie, un procédé de

séparation

est un procédé permettant

de transformer

un

mélange

en

detrx

ou

plusieurs

produits

distincts

par

des méthodes physiques ou chimiques.

I. Séparation nhvsique 1.1. Filtration

La filtration est une technique qui ^permet de séparer

les constifuants

d'un

mélange

lorsqu'un

des constituants est sous

la

phase

liquide et I'autre,

^sous

la

phase solide.

Pour ce faire,

on utilise un

filtre.

Ce

filtre

^permet de retenir les particules solides qui sont plus grosses que les pores (trous) du

filtre.

Exemple :

filnation

des eaux troublées

Figure 6.1 Filtration

Le liquide

^qui passe au travers du

filtre

est appelé <

filtrat

^>> et le solide que

I'on

recueille dans

le filtre

est appelé < résidu >>. Cette technique peut être

utilisée pour

séparer de

I'eau et.un

composé comme du carbonate de calcium, CaCO3 (poudre blanche).

1.2. Décantation

La décantation permet de séparer des particules solides

en suspension

d'un liquide,

ce

qui

est souvent nommé sédimentation.

Lors

de

la

sédimentation, les particules en suspension cessent de se déplacer et se déposent dans

le fond

du récipient.

Le

dépôt est alors appelé sédiment. Une fois que les particules en suspension se

sont

bien

déposées dans

le fond du

contenant, on

utilise

une tige

de verre pour verser le liquide

dans

un

autre contenant.

On

se

retrouve alors avec

le liquide

dans un contenant et la partie solide dans I'autre.

II. La matièrç et ses changements

liqnidetræspd€d obtempu

hdécart*br

Figure 6.2 Décantation

Cette technique

peut

être

utilisée par

exemple avec

un

mélange d'eau et de sable. On laisse le mélange reposer pendant un certain temps.

Le

^sable se dépose

alors

dans

le fond du

contenant. On

transvide l'eau, à l'aide d'une tige de velre, dans un

autre contenant.

1.3.

écanter

Pour

séparer des

liquides non miscibles qui n'ont

pas

la

même masse

volumique

(densité), on

utilise

une

ampoule à

décanter.

On

laisse reposer les deux liquides dans une ampoule à décanter.

Le liquide qui

possède

la

^masse

volumique la plus

grande se

déplace alors vers le fond de I'ampoule.

Le liquide

qui possède la masse volumique la plus petite quant à

lui

se déplace vers le haut.

Lorsque les deux phases sont

bien

distinctes, on peut séparer les deux

liquides.

Cette techniquè peut être

utilisée pour

séparer un mélange d'eau et

d'huile

par exemple.

Ç,-

L--aûpoubàdecacer

-t;-=-li{lridÊ

^{h rsoitrs dense}

llfrddÊ le ^phrs

fuse

F'igure 6.3 Ampoule à décanter

30

tr. La matière et ses changements

1.4.

Activité :

Séparation de

nitrate

de

baryum pur

a)

Dans un bécher, ajouter

le

mélange de 30 g de nitrate

de potassium

et 20 g de nitrate

de baryum dissous dans 100

g

d'eau à une température de 60oC.

b)

Puis réduire la température

à 20oC en plaçant _ce bécher dans un

récipient

^glacé, en obsenrant que

le nitrate

de

baryrm précipite

de couleur blanche,

filtrer-le

et noter.

Figure 6.4

Séparation du nitrate de

baryum

Que peut-on conclure ^de cette expérience ?

Résultat de I'expérience: le

mélange est totalement dissous dans 100 g d'eau à 60oC, mais quand on réduit la température à

20"C le

nitrate de baryum

pur

précipite de couleur blanche au

fond du récipient. On peut

conclure

que: la séparation par précipitation est une séparation du solide hors du liquide dans la

substance homogène

à

des

températures

élevées, en

réduisant

la

température

le solide se

précipite.

La précipitation peut être utilisée afin d'extraire

une espèce

chimique particulière d'un mélange, I'espèce précipitée

étant ensuite

filtrée.

1.5. Distillation

La distillation

est une technique de séparation de deux substances liquides miscibles.

En utilisant

cette technique, on

fait

appel à la

propriété de point d'ébullition. On chauffe le

mélange

jusqu'à

atteindre

le point d'ébullition d'un

des constituants.

Ce

liquide s'évapore alors

et

les vapeurs sont recueillies et condensées dans

un autre récipient. Pendant que le ^premier liquide

s'évapore

(distillat), le

deuxième

n'atteint

^pas sa température d'évaporation

et

reste sous

forme liquide

dans

le

contenant

initial

(résidu). On distingue les differents types de

distillation

^:

?;,

È ti jl I.f.

ê s-:.-lPl' *L^

a)

II. La matière et ses changements

Distillation

simole

La distillation simple ne comporte pas de colonne

à fractionner.

La

méthode est surtout appliquée à la

ptrification

des solvants

volatils ou

des composés ayant des tempérafires

d'ébullition fiès

differentes.

Le

solvant

et le

soluté

ont

une température

diftrente

de 80oC, pax exemple, séparer I'eau du sel,

I'eau.a

une température

d'ébullition plus

basse s'évapore en premier et le sel solide reste dans le ballon à distiller.

Figure 6.5 Appareil à distillation simple

Distillation fractionnée

Elle

permet de séparer les constitnants

volatils d'un

mélange

dont les points d'ébullition sont

^proches,

ptr exemple,

la

distillation d'rtr

mélange d'éthanol et d'eau

(point d'ébullition

de l'éthanol 78,5oC et celle de

I'eau

100"C).

La plupart distillation

fractionnée est

utilisé

dans

le

raffinage du pétrole et pétrochimique.

b)

32

II. La matière et ses changements tber!ûomètre

condeilsff

sartb deau

eoùee deæ

Figure

6.6

Distillation fractionnée

c) Distillation

à la

vapeur d'eau

La

distillation

à la vapeur d'eau est un procédé d'obtention des

huiles essentielles réservé aux plantes aromatiques. C'est une technique se basant sur

la distillation d'une solution

aqueuse contenant un composé organique non miscible à l'eau.

V4enr deæ chægee Eæ chæde

dlmile ess€dbl

Plartes aomaiges Ilufe ^essentiene

Vapm

d

Ea *où+

Ea

Eaflorab

cbakm-lllli

Eæflorah +

huile essæid _Ess€ûciff

\^

^{rT^}

Figure

6.7

Distillation à la vapeur

tr. La matière et ses changements

La distillation à la

vapern est

la

méthode

la mieux

adaptée

pour fournir

des

huiles

essentielles de qualité.

Les

étapes de

distillation

sont :

-

^Sous

^I'effet

de la chalern l'eau se transfonne en vapeur.

- ^La

^{vapeur passe} à travers les plantes,

elle

se

volatilise

et c'est ainsi que sont crées les molécules aromatiques.

-

Recondensées en passant dans

un

serpentin réfrigérant, les

gouttelettes d'eau contenant l'huile essentielle

sont récupérées.

-

^Enfur,

^un

essencier récupère

I'huile

essentielle

qui flotte

à la surface de I'eau de distillation.

La plupart des huiles essentielles sont obtenues par

distillation

à la vapeur d'eau, par exemple, huile essentielle de bergamote, huile essentielle d'eucalyptus. . .

d) Distillation

sous pression

réduite

Certains composés ne peuvent pas être

purifiés

sous pression aûnosphérique

car:

- ^{soit ils}

^se décomposent à une température

inËrierne

à leur température

d'ébullition

sous pression normale _;

-

soit leur température

d'ébullition

^est très élevée _;

-

^{soit ce sont des solides à bas point de} fusion

En diminuant la

pression dans

l'appareil de distillation,

la température

d'ébullition va

diminuer.

On

parle de

distillation sous pression réduite. L'abaissement de la pression,

va

diminuer la tempérahre d'ébullition et rendre celle-ci

plus facile à réaliser.

ùermomÈre

cûlxEûs€ur

Sacoarécqleratm

Figure

6.8

Distillation sous pression réduite

tr. La matière et ses changements

1.6.@

L'extraction par

solvant consiste

à

séparer une espèce chimique intéressante du mélange

où elle

se

trouve

en

utilisant un

solvant dans lequel

elle

est très soluble.

Il

existe

trois

principaux modes d' extraction solide-solide, solide-liquide ou liquide-liquide.

On utilise

cette technique

pour

extraire des huiles végétales, des huiles essentielles, des colorants et des arômes à partir des plantes.

f Choix du solvant

Le choix du solvant repond à plusier:rs critères :

- ^Le

^composé à extraire

doit

êne très soluble dans

le

solvant, c'est-à dire, beaucoup plus soluble dans le solvant que dans le

milieu

où

il

se trouve initialement.

-

^Le solvant ne doit pas réagir avec I'espèce extraite.

-

^Le solvant ne doit pas être miscible avec le mélange

initial.

Exemple I

^: Extraction du curcuma

- Lors

^de

I'utilisation

de I'eau cornme solvant, on obtient I'odeur du curcuma et de la curcumine (colorant alimentaire E100).

-

^{Lors de}

I'utilisation

de l'éthanol comme solvant, on obtient de la curcumine

Exemple

2

: Mélange du sel avec du naphtalène

Lors

de

I'utilisation

de I'eau comme solvant,

le

sel se dissout dans I'eau

mais le naphtalène, insoluble. Ensuite, on fait filtrer

le mélange,

le

naphtalène

reste sur le papier filtre et le sel

est obtenu par vaporisation d.q

filtrat.

1.7.@

La

chromatographie

est une technique

^qui permet de séparer et

d'identifier

les différents constituants d'un mélange.

La chromatographie fait intervenir

^deux

phases :

- La ^phase fixe ou ^phase

stationnaire, constitué I'absorbant _;

- La

^phase

^mobile, constitué d'un

^solvant

appelé éluant.

Figure 6.9 Séparation par chromatogrephie

tr. La matière et ses changements

I Principe

de

chromatoeraphie

l)La

chromatographie

comporte 2 ^parties: un éluant et

un absorbant.

a) L'éluant

peut être de I'eau,

du

chloroforme, du benzène, de l'éthanol, d'éther de pétrole,

etc...

b) L'absorbant peut être du ^papier

absorbant

(ou

papier

filtre), dioxyde de silicium (SiO2), oxyde d'aluminium

(Al,2Où,

etc...

2)

Les diffrrentes

espèces

ne se dissolvent pas de la

même manière dans

l'éluant. Celle qui

se dissolve

la plus va

être

plus

facilement entraînée

par l'éluant et

donc migrera plus

facilement que les

espèces

qui se dissolvent peu

dans

l'éluant. On

aura

donc

séparé

les différents

constituants du mélange.

3)Lachromatographie permet de séparer les différents colorants

d'un

mélange homogène.

Le

chromatogramme

d'un

corps

pur

est représenté

par une

seule tache.

Si

^plusieurs taches apparaissent, le colorant est un mélange.

4)Notion

de rapport frontal

Le

rapport

frontal,

noté.Rtr est une grandeur sans unité. Par définition, le rapport frontal.Rlest égal

à:

R:h= 'H

- h:

distance entre la ligne de dépôt et le

milieu

de la tache

- ^H

^: distance entre la ligne de dépôt et le front de.l'éluant

-

^R1n'apas

d'unité

^'

-

^RTest inférieur à 1

- Un

constituant

très

soluble dans

la

phase

fixe atra ur

rÇ faible ; très soluble dans la phase mobile, son Rysera élevé

etprochede l.

- L'intérêt du rapport frontal est que si ^deux

^espèces

chimiques

ont le

même rapport

frontal,

c'est qu'elles sont identiques.

f

On distingue les differentes méthodes chromatographiques ^:

-

Chromatographie sur colonne

-

Chromatographie sur couche mince

-

Chromatographie sur papier

tr. La matière et ses changements

Activité

:

Étude

de la

chromatographie sur papier

On prepare une plaque de

chromatographie

en

découpant un rectangle de papier absorbant puis en dessinant au crayon à papier un

trait

de

2

cm du bord inferieur. On dépose ensuite

3

colorants bleu _@),

vert (V)

et

jaune (J)

srn ce

fiait.

Ces colorants peuvent être issus de feutres lavables

à I'eau

de la même marque ou de colorants alimentaires.

absorbant

Oq dépose

bs

_,

cobrants

On place la plaque de chromatographie dans un verre contenant un peu d'eau salée

(éluant).

Eru saÉe

Pour que la

chromatographie puisse commencer,

la

plaque

doit

être suspendue au dessus

de la

cuve

et

tremper dans

I'eau

mais sans que

la ligne

de dépôt

et

les taches de colorants ne soient en contact avec cette dernière.

Obseruations :

o _{L'eau imbibe le} papier

absorbant

du bas vers le haut

en entraînant les colorants.

o

On observe'le

chromatogramme

suivant

*2cm

a I

V

J

I

ÈVJ

tr. La matière et ses changements

Grâce au phénomène de capillarité I'eau est aspirée par le papier absorbant et s'élève.

On observe que les colorants ne

^se

déplacent

pas

à la

même

vitesse:

chaque colorant possède sa vitesse de

migration.

La tache verte s'est

^séparée

en

^deux

couleurc ^: jaune _et bleu ; cela signifie que le

colorant vert n'est pas pw, c'est

un mélange de deux colorants (bleu et

jaure) Le

colorant bleu ne donne qu'une

tache:

cela

signifie

^{que ce} colorant est pur.

Le

colorant jarme est

pur

aussi

car il ne forme qu'une

seule tache.

Remarque:

Lorsque

2

^taches

sont à la

même hauteur, cela signifie qu'elles corespondent au même colorant.

Exemple

: Analyser le chromatogramme ci-dessous ^:

Front de

l'éluant

5cm 4cm

5cm

Ligne de dépôt

Dépôt I'encre (substance

X)

1.

Calculer le rapport frontal R1 de I'espèce chimique

A.

2. La

substance

X

séparée par chromatographie est composée de combien d'espèces chimiques ?

3.

Comparer par ordre décroissant de

la solubilité

des espèces

A, B

et C dans l'éluant.

4.

_Quelle ^est I'espèce présentant la plus forte absorption pourquoi ?

cm

38

tr. La matière et ses changements

Solution

1.

Calculer le rapport frontal

Rldu

corps

A

^:

Rr@): 4= _H ^=y:0,8

_5cm

2.

La substance

X

comporte 3 espèces chimiques :

A, B

et C.

3.

Ordre décroissant de la

solubilité

:

A

> B > C

4.

L'espèce C présente la

plus

forte absorption car elle est moins soluble et sa vitesse de migration est courte.

II. Méthodes chimiques de sénaration

En chimie,

une procédé

chimique

est une méthode

ou un moyen

de

modifier la

composition

d'une ou

de plusieurs molécules. Ce procédé

peut unrenir

naturellement

ou artificiellement et exige une

réaction chimique, par exemple, I'adoucissement des eaux dures.

Une

^eau

dure

est une eau

qui

contient beaucoup

de

sels dissous, en

particulier

CaCX,z, MgSO+... L'adoucissement des eaux dures par voie

chimique

se

fait ^par la réaction

avec

le

carbonate

de

sodium

ou

de potassium selon les réactions ci-dessous ^:

CaCI'z + NazCOr

-â

^CaCO3

+

2 NaCt'

MgSO+ + _KzCOr -+ MgCO3 +

KzSO+

aaQaQaGGaG -x-x-x- î ^{e e} î î î î î î î

tr. La matière et ses changements

1. Les liquides

A, B

et C ont des points

d'ébullition

de 40"C,

45"C,110'C

successivement,

A

n'est pas miscible dans

B

et C mais

B

miscible dans C. Quelle méthode utilise-t-on pour séparer ces

tois

^{liquides ?}

a)

^Séparer

^{A, B}

^{et C par}

distillation

fractionnée.

b)

^Séparer

A

de

B

et C par

distillation

à la vapeur d'eau ensuite séparer B de C par la

distillation

simple.

c)

Séparer

A

de

B

et C par l'ampoule à décanter ensuite séparer

B

de C par la

distillation.

d)

Extraire

A

de

B

et C et séparer

B

^de C par la distillation.

2.Faire bouillir le liquide A jusqu'à ébullition

ensuite faire passer dans un condenseur, on obtient un liquide

B.

Si on continue à chauffer le liquide

A

jusqu'à

disparition complète du liquide,

il

reste un dépôt solide C au fond

du récipient; quelle est la bonne proposition parmi les

données

ci-

dessous ?

a) le liquide B de point d'ébullition

basse

s'évapore facilement,

le liquide C de

point d'ébullition

haute s'évapore

difficilement.

b) le liquide B de point d'ébullition

basse s'évapore

difficilement,

le liquide C de point

d'ébullition

haute s'évapore facilement.

c) le liquide B

de

point d'ébullition

basse s'évapore

difficilement,

le liquide C de

point d'ébullition

haute s'évapore

difficilement.

d) le liquide B de point d'ébullition

basse

s'évapore facilement,

le liquide C de

point d'ébullition

haute s'évapore facilement.

3. On réalise

la

chromatographie d'extraits des espèces

A, B,

C et

D.

Avec

le

support

et l'éluant utilisés, les

rapports

frontaux

R1

de

ces espèces

valent: $ ^(A) :

_0,48

_;

_Rr

_(B) :

_0,55

_{; Àr (C)} : _0,72;

_Rr

_(D) :

_0,87.

Quelle ^est la bonne proposition panni les données ci-dessous ?

a)

L'espèce

A

est

plus

soluble dans

l'éluant

que

B

et ^présente

la

plus forte absorption.

b) L'espèce B est migré plus lente que A et

^présente

une

faible absorption.

c)

L'espèce C ^est plus soluble dans l'éluant que D.

d) D est I'espèce qui migre le plus, plus soluble dans l'éluant

et présente la plus faible absorption.

II. La matière et ses changements

4. Quel procédé utilise-t-on pour séparer un mélange d'eau et de gazole?

a)

séparation par la

filtration.

b)

séparation par la distillation.

c)

séparation par l'ampoule à décanter.

d)

séparation par la chromatographie.

5. Le chromatogramme obtenu par la chromatographie est indiqué ci-dessous ^: Front de

l'éluant

15 cm

5,5 cm

5cm

Ligne de dépôt

a)

Calculer les rapports frontarxRTdes espèces

A, B

et C.

b) La

substance

X

^séparée

^pat

chromatographie

est

composée de combien d'espèces chimiques ?

c)

Comparer par ordre décroissant de la solubilité des espèces

A, B

et C dans l'éluant.

d) Que peut-on dire de la solubilité

dans

l'éluant et I'absorption

de I'espèce qui a le plus grand rapport frontal ?

6.

On

dissout

le

mélange

de

115

g

de AgNO3, 85

g

de KNO3

et

55

g

de Ba(NOs)z dans 100 g

d'eau

à

l00oc.

Le mélange est totalement dissous.

En diminuant la

température

jusqu'à _20"C, AgNO: et

Ba(NO3)2 sont encore solubles tandis que KNO3

rê

sê dissout que 31,6

g;

quelle est la précipitation de nitrate de potassium _?

7 . Le mélange de 20 g de KNO3 et I 0 g de Ba(NO:)z se dissolve dans 100 g

d'eau à 60oC. Le

mélange

est totalement

dissous.

En diminuant

la température

jusqu'à _20"C, KNO: est

encore totalement soluble tandis

que Ba(NOt)zne

se

dissout

^que

7,2 g; quelle

est

la précipitation

de nitrate de barnrm ?

8.

Quel

^procédé

utilise-t-on pour

séparer

un

mélange

de

sel

et du

sable.

(expliquer cette technique de séparation).