Les mélanges

Qu'est-ce-qu'un corps pur ? L'air n'est pas un corps pur puisqu'il s'agit d'un gaz composé de différentes molécules.

La matière est donc un mélange de particules, d'atomes et de molécules.

Lorsqu'il s'agit d'un ensemble de même atomes comme dans le cas du fer (Fe) ou du sodium (Na), cela s'appelle un corps pur élémentaire. (un seul atome - un élément).

Lorsqu'il s'agit d'un ensemble d'au moins deux atomes identiques comme dans le cas du dihydrogène (H2) ou du dioxygène (O2), cela s'appelle un corps pur simple. (une seule sorte d'atomes constituant une molécule).

Lorsqu'il s'agit d'un mélange d'atomes dans des proportions bien définies formant des molécules comme dans le cas de l'eau (H2O; hydrogène et oxygène) : cela se nomme : corps pur composé (plusieurs sortes d'atomes qui forme une molécule).

Quand on additionne deux corps purs (simples ou composés) l'on obtient un mélange.

Il existe deux types de mélanges : les mélanges homogènes, dont on ne distingue pas les différents constituants et qui sont répartis de façon égale dans tout l'échantillon. Ex : l'air (mélange d'oxygène et d'azote), le sel dans l'eau, ...

Ainsi dans un seau d'eau salée de 10L, si l'on prend deux éprouvettes de 5 mL et que l'on évapore l'eau, on obtiendra les mêmes masses de sel dans les deux éprouvettes. Le sel est réparti dans l'eau de manière identique.

Et les mélanges hétérogènes, dont les composants ne sont pas répartis de manière équivalente dans l'échantillon et dont on peut repérer les différents constituants. ( huile dans de l'eau, sucre dans du sel, ...).

Mélange aqueux

Un mélange aqueux est un mélange qui contient de l'eau.

Exemples

Ce sont les mélanges que nous rencontrons le plus souvent dans notre quotidien. Les sodas sont tous des mélanges aqueux, les savons ou encore l'eau de la vaisselle. Chaque mélange qui contient une part d'eau est un mélange aqueux.

Mélange homogène

Un mélange homogène est un mélange dont on ne peut pas distinguer plusieurs constituant a l’œil nu.

La plupart du temps, c'est parce que les composants sont miscibles entre eux.

On dit de deux éléments qu'ils sont miscibles quand

Exemples

De nombreux mélanges homogènes peuplent notre quotidien : le jus de fruit, le lait, le savon, l'eau de javel ou encore le sang sont des mélanges qui contiennent énormément de composants mais nous ne sommes pas capables de les distinguer lorsque nous les voyons.

Mélange hétérogène

Peut-on mélanger de l'eau et de l'huile ? Un mélange composé d'eau et d'huile est un mélange hétérogène car ces deux composants ne se mélangent pas entre eux pour ne former qu'une seule phase.

Un mélange hétérogène est un mélange dont on peut distinguer plusieurs constituant à l’œil nu. On entend par là tout mélange dans lequel plusieurs phases apparaissent.

Exemples

Tous les mélanges qui sont constitués de plusieurs composants sont hétérogènes. On y retrouve par exemple les jus de fruits à pulpe, la vinaigrette ou encore l'eau boueuse ou l'eau grasse.

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Extraire un composé d'un mélange

L'extraction d'une espèce chimique consiste à la séparer du mélange dans laquelle elle se trouve. Les différents procédés sont : l'enfleurage (pétales de fleurs qu'on laisse tremper dans la graisse), l'expression (ou pressage), la macération (la plante reste dans un solvant de quelques heures à quelques semaines), l'infusion (de l'eau bouillante est versée sur la plante hachée), la décoction (on fait cuire la plante dans de l'eau bouillante), l'extraction par solvant et l'hydrodistillation.

Afin de séparer les différents corps d'un mélange, l'on peut utiliser la différence entre les propriétés physiques qui sont propre à un corps purs.

Par la décantation

Il s'agit d'une opération de séparation mécanique de plusieurs phases dont au moins une est liquide.

Elle consiste à laisser reposer un mélange hétérogène pour que les constituants les plus lourds, qui sont en suspension, se déposent au fond du récipient (des morceaux de pulpe de fruits, des gouttes de vinaigre dans une vinaigrette...). On peut alors récupérer le liquide au dessus du dépôt.

On utilise pour cela un ustensile de chimie : l'ampoule à décanter.

Une des plus grandes application de la décantation est celle que l'on retrouve dans les stations d'épurations. En effet, l'un des composants de ces dernières est le bassin de décantation. Dans ces cuves gigantesques, on fait stagner les boues qui descendent au fond tandis que les graisses remontent en surface. On peut alors extraire les composantes indésirables et retraiter l'eau claire.

Résumé

Les deux liquides ne peuvent se mélanger (ex : eau-huile). il se forme alors deux phases (une première phase composée d'eau et une seconde composée d'huile). Ce type de mélange est hétérogène et composé de substances
non-miscibles (qui ne se mélangent pas). Il suffit ensuite de faire s'écouler le liquide jusqu'à la limite pour récupérer chacune des phases. L'on peut également créer des phases en rajoutant un liquide, la séparation entre ce liquide et une des phases se faisant par un autre procédé par la suite.

Par la filtration

La filtration est un procédé de séparation qui permet de séparer des constituants liquides et solides d'un mélange hétérogène.

Elle consiste à faire passer à travers un filtre un mélange hétérogène contenant des particule en suspension. Ces particules sont alors retenues par le filtre. On recueille après filtration un mélange homogène appelé filtrat ainsi que dans le filtre des particules appelées résidus.

Il existe deux types de filtration : la filtration frontale et la filtration tangentielle.

Filtration frontale

La filtration frontale est la méthode de filtration la plus utilisée. C'est par exemple celle que l'on utilise dans une cafetière à filtre. On y insère le mélange à filtrer perpendiculairement au filtre. Il retient alors toutes les particules en laissant passer le liquide. L'inconvénient de ce système est que si trop de particules sont présentes dans le filtre il est possible que le filtre soit saturé et ne fonctionne plus.

Filtration tangentielle

Cette filtration permet de faire passer un fluide à la surface du filtre. Dans ce cas de figure, il s'agit de la pression du liquide qui lui permet de traverser le filtre. Les particules restent alors dans le flux, ce qui diminue le risque de colmatage du filtre. On utilise cette méthode pour filtrer des particules de petite taille, comprenant des tailles du micromètre jusqu'au nanomètre.

Par la centrifugation

Comment fonctionne la centrifugation ? La centrifugation est utilisée afin de séparer les différents composants d'un mélange permettant ainsi d'obtenir différentes phases qui se superposent selon leur densité.

Cette technique permet, tout comme la décantation, de séparer des composants des mélange homogène composé de partis solides et liquides. La centrifugation est par ailleurs plus rapide que la décantation.

Il s'agit d'une méthode utilisée très régulièrement en médecine analytique lors de la réalisation de prélèvement sanguins.

Son principe est de mettre ne rotation très rapide le mélange afin d’expulser les parties de masses différentes.

C'est le cas de l'essoreuse à salade.

En utilisant la polarité des molécules

Une liaison entre deux atomes est polarisée si ces deux atomes sont différents. Une molécule est polaire si les barycentres de charges positives et négatives ne sont pas confondus ( la molécule H2O est polaire alors que CCl4 ne l'est pas ).

Deux molécules polaires (alcool R-OH, acide carboxylique R-COOH) ou deux molécules non polaires (alcane, alcène) sont miscibles. Une molécule polaire et une molécule non polaire ne sont pas miscibles.

Par la distillation

Comment fermente l'alcool ? Attention, même si l'alcool est une boisson obtenue de façon naturelle, il faut le consommer avec modération car il peut être dangereux pour votre santé !

La distillation est une méthode de séparation de mélange homogène composé d'éléments liquides et dont les températures d'ébullition sont différentes.

Elle permet également de séparer l'eau des autres constituants d'un mélange homogène.

Son fonctionnement est simple : le liquide est chauffé jusqu'à ébullition. Au contact d'une paroi refroidie que l'on appelle le réfrigérant, la vapeur d'eau formée se transforme en eau liquide. Les gouttelettes sont recueillies et on obtient un distillat qui est de l'eau. L'eau distillée ne contient que de l'eau, c'est donc une eau pure.

On utilise aussi la distillation pour la confection de boissons à base d'alcool comme les liqueurs ou encore pour fabriquer des parfums et récupérer des essences naturelles.

Dans le monde industriel, la distillation sert à préparer des dérivés du pétrole tels que de l'essence, du gasoil, du kérosène ou encore du mazout.

Il existe trois types de distillations :

La distillation discontinue

Une distillation distillation discontinue est une distillation lors de laquelle on insère le mélange à séparer puis l'on chauffe à différentes températures pour séparer un à un les composants. Ce type de distillation peut subir des modifications du mélange à distiller ou des modifications de la température.

La distillation continue

La distillation continue est une distillation lors de laquelle on alimente en continue avec du mélange à séparer. On ne touche pas à la température de l’appareil cependant.

La distillation sous vide

Dans la distillation sous vide, on utilise une pompe à vide afin d'abaisser la pression ambiante pour réaliser la distillation. On utilise cette méthode lorsque les produits à distiller sont trop volatils à la pression ambiante. Cela permet donc de réduire leur point d'ébullition.

Le point d’ébullition correspond à un moment de pression et de température à partir duquel l’élément chimique bout, passant ainsi de l’état liquide à l’état gazeux

Résumé du processus

Un des deux liquides présent dans le ballon a une température d'ébullition de 65°C, alors que l'autre n'atteint l'ébullition qu'à 100°C. En maintenant la température dans le ballon à 65°C, le premier liquide se transforme en gaz, est récupérer dans un réfrigérant (tube en verre dans lequel passe de l'eau froide) où le gaz se condense et se retransforme en liquide récolté dans le ballon placé à l'extrémité du réfrigérant. L'on a alors séparer les deux liquides qui ont une température d'ébullition différentes (propriété physique).

Extraction par hydrodistillation

Résumé

Une hydrodistillation ou entraînement à la vapeur d'eau est la distillation d'un mélange d'eau et d'un liquide organique.

Elle consiste à porter à ébullition le mélange, puis à condenser les vapeurs qui se dégagent afin de récupérer les arômes. La distillation obtenu contient deux phases :

  • Une phase organique : l'huile essentielle.
  • Une phase aqueuse : l'eau.

Pour récupérer l'huile essentielle, on recourt à une extraction liquide-liquide.

Description du principe

Dans un entraînement à la vapeur ou hydrodistillation, on fait bouillir un mélange d'eau et de produit à extraire, puis on liquéfie la vapeur dans un réfrigérant. La solution obtenue s'appelle le distillat.

Le but de cette technique est de récupérer les essences d'épices, de fleurs, de fruits ou des plantes.

Les étapes de l'hydrodistillation

Etape 1 : Extraction de l'huile essentielle d'orange

En se vaporisant, l'eau entraîne avec elles les huiles essentielles contenues dans le produit brut (clou de girofles, écorces d'oranges, lavande....). Les vapeurs arrivent dans le réfrigérant où la température est de l'ordre de 15°C.Elles se liquéfient dans l'éprouvette graduée.

Remarque : Le distillat obtenu obtenu en TP n'a qu'une seule phase puisqu'on extrait trop peu d'huile essentielle qui s'est solubilisée dans l'eau. On aurait extrait plus d'huile essentielle du zeste d'orange nous aurions alors obtenu deux phases puisque l'huile essentielle d'orange est faiblement soluble dans l'eau.

Etape 2 : Le relargage

Le relargage consiste à rendre des composés organiques (huile essentielle..) moins solubles dans l'eau en ajoutant du chlorure de sodium qui n'est autre que du sel. Après le relargage l'extraction sera donc plus facile.

Pour ce faire on place le distillat dans une ampoule à décanter et l'on rajoute de l'eau salée. On agite, dégaze et on laisse décanter. Cette étape permet ainsi de mieux séparer l'huile essentielle de la phase aqueuse puisque l'huile essentielle est moins soluble dans l'eau salée que dans l'eau.

On peut s'arrêter ici et récupérer l'huile essentielle à l'aide de l'ampoule à décanter.

Etape 3 : Extraction par solvant

On choisit le cyclohexane comme solvant extracteur puisqu'il est non miscible avec l'eau salée et que l'huile essentielle d'orange est très soluble dans le cyclohexane.

Le distillat étant déjà dans l'ampoule à décanter avec l'eau salée, nous rajoutons le cyclohexane. Nous agitons, dégazons et laissons décanter. Tout l'huile essentielle contenue dans la phase aqueuse passe dans la phase organique puisque l'huile essentielle est très soluble dans le cyclohexane. Il se forme également deux phases puisque le cyclohexane est non miscible avec l'eau salée. La densité du cyclohexane (=0,78) étant plus faible que celle de l'eau salée (=1,1) la phase sur-nageante est la phase organique contenant l'huile essentielle d'orange et le cyclohexane, quant à la phase sous-nageante il s'agit de la phase aqueuse contenant de l'eau salée.

L'utilisation de l'ampoule à décanter permet de séparer les deux phases en laissant s'écouler les liquides jusqu'à leur surface de séparation. Ainsi on introduit dans un premier temps la phase aqueuse sous-nageante dans un bécher et la phase organique sur-nageante dans un autre bécher. La phase aqueuse ne nous est pas utile, on s'en débarrasse.

Par contre, nous allons traiter la phase organique qui contient entre autre l'huile essentielle d'orange qui nous intéresse.

Etape 4 : Séchage

Maintenant nous allons "sécher" la phase organique. Bien que l'eau soit non miscible avec le cyclohexane il y a toujours des traces d'eau(très peu) dans le cyclohexane. Pour éliminer cette eau on utilise des grains de sulfate de magnésium anhydre (poudre) qui vont emprisonner les molécules d'eau. Une fois la poudre introduite dans la phase organique il ne reste plus qu'à filtrer le sulfate de magnésium.

Le filtrat ainsi obtenue est la phase organique contenant le cyclohexane et l'huile essentielle d'orange. Quant à l'eau, elle est enfermé dans les grains de sulfate de magnésium qui ont été filtrés au niveau du papier filtre.

Etape 5 : Distillation

Le solvant extracteur employé à pour propriété d'avoir une température d'ébullition faible, ainsi en évaporant (distillation) le solvant organique volatil (cyclohexane) nous obtenons l'huile essentielle qui à été si difficile à extraire.

L'inconvénient reste la faible quantité d'huile essentielle récupérée au final, c'est en partie cela qui explique le prix élevé des parfums.

Extraction liquide - liquide

Principe

L'extraction liquide-liquide consiste à faire passer, par solubilisation, un composé d'un solvant dans un autre. Elle nécessite une phase aqueuse et une phase organique non miscibles et de densités différentes. En règle général, les espèces organiques se retrouvent, après extraction, dans la phase organique, et les espèces chimiques ioniques ou très polaires dans la phase aqueuse. Les espèces à la fois organiques et polaires se partagent entre les deux phases.

Mise en oeuvre expérimentale

L'espèce chimique à isoler est mélangée, ou partiellement dissoute, dans un solvant S1. On l'extrait avec un solvant extracteur S2 en plusieurs étapes.

  1. Le relargage : En ajoutant à S1, une espèce qui y est très soluble, on diminue la solubilité de l'espèce chimique à extraire.
  2. L'extraction : Elle est généralement réalisée dans une ampoule à décanter. S2 est ajouté par fraction ( pour augmenter le rendement ). Après chaque ajout de S2, on agite énergiquement pour permettre aux solutés de se répartir dans la phase où ils sont le plus solubles.
  3. Le lavage : En fin d'extraction, il est souvent utile d'éliminer des substances, autres que l'espèce à extraire, dissoutes dans le solvant S2. En général, pour éliminer une base, on introduit un acide et inversement.

Autre technique d'extraction : la macération

La macération consiste à faire tremper une substance dans un solvant froid ou ou chaud pour en extraire les espèces solubles dans le solvant utilisé.

La décantation permet alors de séparer des liquides non miscibles, alors que la filtration (par gravité ou plus efficace, par aspiration (sur Büchner)) permet de séparer un solide d'un liquide.

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Joy

Freelancer et étudiante en Sciences de la Vie et de la Terre, je suis un peu une grande sœur qui épaule et aide les autres pour observer et comprendre le monde qui nous entoure et ses curieux secrets !