Extraction, Séparation et identification des espèces chimiques (tronc commun bac international) cours p.c

                                   

Beaucoup des substances chimiques contiennent différentes espèces chimiques, pour les extraire, 

Les séparer et les identifier on a recours à différentes techniques. 

I. Quelques techniques d’extraction 

1. extraction par hydro distillation :

 exemple : extraction de l’huile essentielle de lavande 

Une huile essentielle est un extrait odorant d'origine végétale. 

a) principe de l’extraction 

L’hydro distillation est une méthode d’extraction dont le rôle est d’entraîner les composés volatiles des produits naturels avec la vapeur d’eau.  

b) Protocole expérimental      

        

  - On remplit  environ de moitié un ballon avec de l'eau distillée et des fleurs de lavande.      

- On ajoute quelques grains de pierre ponce (ou billes de verre) dans le ballon afin de réguler l'ébullition.    

- On chauffe le mélange  à l’aide  d’un chauffe ballon. 

- On ajoute dans le montage un thermomètre  pour mesurer la température de la vapeur avant le refroidissement dans le réfrigérant. 

- on utilise un Support élévateur dont le rôle est  d’éloigner rapidement la source de chaleur du système chimique en cas de besoin.  

- l'eau devra toujours arriver par le point le plus bas du réfrigérant et sortir par le point le plus haut. 

c) les quatre étapes de la technique 

La technique d’hydro distillation  fait intervenir les quatre étapes suivantes : 

 Entraînement à la vapeur 

En faisant bouillir le mélange eau et lavande, des vapeurs s’échappent, Au fur et à mesure, en entraînant les huiles essentielles contenues dans  le produit brut (la lavande).  Ces vapeurs  sont liquéfiées grâce au réfrigérant et récupérées dans une éprouvette graduée ou un bécher : on obtient un distillat. 

Le distillat de lavande est constitué d'une phase organique: l'huile essentielle de lavande, et d'une phase aqueuse : l'eau (une infime quantité d’huile essentielle de lavande se trouve dans cette phase). 

 Relargage.

Le relargage consiste à rendre Les huiles essentielles moins solubles dans l'eau en ajoutant  au distillat du chlorure de sodium (l’huile essentielle de lavande est presque insoluble dans l’eau salée : Voir le tableau ci-dessous)

  Décantation.

 après relargage, on met le mélange  dans une ampoule à décanter .les deux phases se séparent  en deux phases non miscibles : Une phase aqueuse, en général plus dense, se situe dans la partie inférieure et une phase organique, de densité plus faible et contenant les huiles essentielles se situe au-dessus. Enfin on procède à la séparation des deux phases. 

Remarque : il est préférable de réaliser le relargage dans l’ampoule à décanter ; on agite énergiquement  le distillat après l’ajout du sel .De temps en temps il faut effectuer un dégazage pour éviter toute surpression  au sein de l’ampoule.         

 Séchage et filtration. Afin d'éliminer le peu d'eau susceptible d'avoir été retenue dans la phase organique, on fait agir un déshydratant  comme le sulfate de sodium anhydre ou le sulfate de magnésium anhydre : C'est l'opération de séchage. On filtre ensuite pour ne recueillir que la phase organique exempte d'eau. 

2) extraction par solvant 

  Principe. 

L'extraction par solvant consiste à dissoudre le composé à extraire dans un solvant non miscible avec l'eau et à séparer la phase organique contenant ce composé de la phase aqueuse. 

 Les trois étapes de la technique 

* Utilisation du solvant Dans un bécher On verse le solvant sur la substance contenant le composé à extraire. Le solvant utilisé doit être un liquide non miscible à la phase qui contient initialement le composé à extraire. Ce dernier doit être très soluble dans le solvant. 

* La décantation.  

Il s'agit de l'opération réalisée à l'aide de l'ampoule à décanter vue au paragraphe précédent.  Il est nécessaire de connaître la densité du solvant pour déterminer si la phase organique, contenant le composé à extraire, se trouve au-dessus ou en dessous de la phase aqueuse à éliminer dans l'ampoule à décanter.  

* Le séchage et la filtration.  

Ce sont les opérations décrites au paragraphe précédent.  La phase obtenue après filtration est constituée du solvant et de l’huille essentielle de lavande, 

Pour récupérer cette dernière seule, on chauffe le mélange dans un bain marie sous hotte pour que le cyclohexane s’évapore (sa température d'ébullition doit donc être basse).      

II techniques de séparation et d’identification 

1.) analyse chromatographique sur couche mince 

La chromatographie permet de : 

 Contrôler la pureté d'une substance.  Séparer les constituants d’un mélange  Faire une analyse d’un mélange  

a)Principe 

La chromatographie sur couche mince s’effectue sur une plaque couverte d’une fine couche de silice capillaire  qu’on appelle phase stationnaire. Une phase mobile, constituée par un liquide et appelé éluant, traverse cette dernière par Capillarité en entrainant avec elle les constituants du mélange à séparer, préalablement déposé sur la plaque.  

Chaque constituant est soumis à une force de rétention par la phase stationnaire (le mélange est absorbé par cette phase) et une force d’entrainement  par la phase mobile (les constituants sont solubles dans l’éluant). L’équilibre qui en résulte aboutit à Une migration différentielle de ces constituants(les vitesses de migration des composés sont différentes : chaque espèce chimique à sa propre vitesse de migration pour une phase fixe et un éluant données) D’où leur séparation. 

Remarque : 

 Plus le composé à analyser est soluble dans le solvant, plus sa vitesse d’entrainement  est grande.  

b) mode opératoire 

- Sur la phase stationnaire, on trace au crayon un trait horizontal (ligne de dépôt) à 1 cm environ du bord inférieur 

- on Dépose sur le trait,  une goutte du mélange ou la substance  à analyser et on la sèche avec un sèchecheveux. 

- on remplit une cuve de l’éluant à une hauteur de 0.5cm puis on la couvre pour la saturer en vapeur d’éluant. 

-on  Dépose la plaque verticalement dans la cuve et on  la recouvre. La ligne de dépôt ne doit pas tremper dans l’éluant.  

- lorsque l’éluant arrive à 1cm du bord supérieur de la plaque, on la fait sortir et on repère alors la position atteinte par le solvant à l'aide d'un trait de crayon. Ce trait est appelé front du solvant.        

Lorsque les composés d’un mélange ne sont pas colorés, les taches sur le chromatogramme doivent être révélées pour les détecter. 

 La révélation est l'étape qui permet de visualiser la position des taches. Elle est faite soit : 

- Par utilisation de réactif caractéristique qui va former des taches colorées avec les substances déposées sur la plaque (par exemple immersion de la plaque dans un bain de permanganate de potassium ou de vapeur de diiode).       

- Par observation à la lumière UV si la plaque comporte un indicateur de fluorescence.       

c) exploitation du chromatogramme 

Après séchage de la plaque, on obtient un chromatogramme            

Observation du chromatogramme 

Si on n’observe qu’une seule tache au-dessus du dépôt, la goutte déposée est une espèce chimique unique. 

Si on observe plusieurs taches distinctes au-dessus d’un dépôt, alors la goutte déposée est un mélange composé d’autant d’espèces chimiques qu’il y a de taches. 

Si deux taches issues de deux dépôts différents ont migré à la même hauteur, Alors les deux gouttes Déposées ont une même espèce chimique en commun. 

Calcul  

On définit le rapport frontal Rf d’une espèce chimique par la relation suivante :                                                  𝐑𝐟 = 𝐡 𝐇   (Sans unité) 

Avec :   h : la hauteur parcourue par une tache entre la ligne de dépôt et sa position au moment de la révélation. 

             H :  la distance entre la ligne de dépôt et la ligne du front du solvant. 

Deux corps présentant le même rapport frontal Rf sur la même plaque sont identiques. 

En comparant les rapports frontaux des taches laissées par l'échantillon étudié aux rapports frontaux des taches laissées par les corps de référence (authentiques), on identifie les espèces chimiques contenues dans le composé à tester . 

L'identification des constituants du mélange à analyser se fait en comparant les rapports frontaux des taches laissées par ce dernier aux rapports frontaux des taches laissées par des corps de référence. 

2) Paramètres physiques. 

Chaque corps pur à ses propres Paramètres physiques. Donc Deux espèces chimiques  ayant plusieurs paramètres physiques (température de changements d’états, solubilité…) identiques sont de la même nature. La comparaison des paramètres physiques de deux espèces chimiques peut identifier l’espèce inconnue. 

a)Températures de changements d'états 

Exemple : 

Température de fusion : Température à laquelle une espèce chimique passe de l'état solide à l'état liquide.  

Température d'ébullition: Température à laquelle une espèce chimique passe de l'état liquide à l'état vapeur. 

b) Densité 

On définit la densité d’un corps, par rapport à un corps de référence, par la relation suivante :                                                   (Sans unité)    𝐝 = 𝐦 𝐦′ = 𝐦/𝐕 𝐦′/𝐕 = 𝛒 𝛒′ 

Avec : 

m : La masse d’un certain volume V du corps 

m’ : La masse du corps référence ayant le même volume V 

𝛒 : La masse volumique du corps  

𝛒 : La masse volumique du corps référence  

c)Solubilité. 

La solubilité S d'une espèce chimique est la masse maximale que l'on peut dissoudre dans un solvant, à une température donnée, pour obtenir 1L de solution. Elle se mesure, en général, en g.L-1.