TP 2 - Extraction par un solvant - Physique

Thème 2 : Comprendre
Chapitre 4
TP 2 - Extraction par un solvant (extraction liquide - liquide)
Objectif du TP
À l’issue d’une séance de TP, des élèves ont jeté par mégarde dans un même récipient une solution de sulfate de cuivre II
et une solution de rouge de méthyle. Ces deux espèces chimiques ne sont pas retraitées de la même façon. L'objectif du
TP est donc de les séparer grâce à une extraction par solvant pour qu'elles soient ensuite retraitées correctement.
Document 1 : Solubilité
La solubilité d'une espèce dans un solvant est la masse maximale d'un soluté qui peut être dissoute par unité de volume
de solvant. La solubilité d'une espèce chimique dépend du solvant.
Document 2 : Protocole d'extraction d'une espèce chimique par un solvant
L'extraction d'une espèce chimique en solution dans un solvant A par un solvant B consiste à :
1. Choisir un solvant B :
a. qui soit non miscible dans le solvant A de la solution.
b. pour lequel la solubilité de l'espèce chimique qu'on veut extraire est plus grande que dans le solvant A.
2. À l'aide d'un entonnoir, verser la solution contenant l'espèce chimique à extraire dans une ampoule à décanter
dont le robinet est fermé.
3. Ajouter le solvant B. Le niveau de liquide ne doit pas dépasser les 3/4 de l'ampoule.
4. Boucher l'ampoule à décanter, puis en tenant le bouchon à la main, agiter doucement en renversant l'ampoule.
5. Incliner l'ampoule de manière à avoir le bouchon en bas et orienter le robinet dans une direction où il n'y a
personne.
6. En maintenant le bouchon, agiter l'ampoule circulairement doucement, tout en ouvrant de temps en temps le
robinet de l'ampoule de manière à évacuer les éventuels gaz produits (c'est le dégazage). Répéter l'opération
jusqu'à ce qu'il n'y ait plus de gaz à évacuer.
7. Reposer l'ampoule sur son support et enlever le bouchon.
8. Attendre que les phases du liquide se séparent.
9. Placer un bécher étiqueté sous l'ampoule, puis ouvrir le robinet pour recueillir la première phase en prenant soin
de le refermer quand la deuxième phase arrive au niveau du robinet.
10. Prendre un autre bécher étiqueté et récupérer le liquide de la deuxième phase en le versant par le haut de
l'ampoule à décanter et non par le robinet pour éviter la contamination de cette phase.
Document 3 : Solubilités, miscibilités et densités
Solvants
Densité
Solution S
Eau
Éthanol
1,02
1,00
0,78
Densité des différents solvants
Cyclohexane
0,79
Sulfate de cuivre II
Rouge de méthyle
Eau
Très grande
Faible
Cyclohexane
Nulle
Grande
Éthanol
Faible
Grande
Solubilités de différents solutés dans l'eau, le cyclohexane et l’éthanol
Eau
Eau
Cyclohexane
Éthanol
Cyclohexane
Nulle
Nulle
Très grande
Très grande
Miscibilité des différents solvants
Éthanol
Très grande
Très grande
I - Choix du solvant et mise en œuvre d'un protocole expérimental
1. À l'aide des documents et à partir de la solution aqueuse contenant le sulfate de cuivre II et le rouge de méthyle,
expliquer quel solvant vous allez utiliser pour obtenir deux solutions, l'une contenant le sulfate de cuivre dissous,
l'autre contenant le rouge de méthyle. Vous justifierez soigneusement votre réponse.
2. Faire la liste du matériel dont vous avez besoin.
3. Faire les schémas légendés représentant les principales étapes du protocole d'extraction que vous allez réaliser,
puis appeler l'enseignant.
4. Réaliser l'extraction.
II - Interprétation de la miscibilité et de la solubilité de certaines espèces chimiques
1. À l'aide des documents ci-dessoous, dire
re si l'eau, l'éthanol et le cyclohexane sont des molécules polaires ou
apolaires. Justifier votre réponse.
Le cyclohexane est constitué uniquement
uniquement d'atomes de carbone et d'hydrogène. La différence d'électronégativité
entre ces atomes étant faible, on peut considérer que les liaisons covalentes de la molécule de cyclohexane sont
pratiquement apolaires. A fortiori, le cyclohexane est une molécule apolaire.
L'éthanol quant à lui comporte un atome d'oxygène lié d'une part avec un hydrogène,
hydrogène d'autre part avec un carbone.
La différence d'électronégativité entre l'oxygène et ces deux atomes étant importante,
importante l'oxygène possède une
charge excédentaire négative. Par ailleurs, vu la géométrie de l'éthanol (voir modèle moléculaire ci-dessous)
ci
le
barycentre des charges positives n'est pas confondu avec le barycentre des charges négatives. L'éthanol est donc
une molécule polaire.
Document 4 : Formules topologiques de quelques molécules
Rouge de méthyle
Cyclohexane
Document 5 : Electronégativités de quelques atomes
Atome
H
Electronégativité
2,2
Éthanol
C
2,5
O
3,5
2. À partir de vos connaissances sur les interactions électriques, expliquer
expliquer pourquoi l'eau et l'éthanol sont
totalement miscibles, c'est à dire solubles l'un dans l'autre en toutes proportions.
L'eau est polaire. L'éthanol aussi. Les interactions électriques entre l'eau et l'éthanol sont importantes. Il y a
même possibilité de former des liaisons hydrogènes
h
entre ces molécules.
Imaginons que l'on mette une molécule d'éthanol dans de l'eau : cela va casser certaines liaisons hydrogènes
entre molécules d'eau, mais
ais comme l'éthanol est polaire,
polaire de nouvelles interactions
eractions électriques assez intenses vont
s'établir entre l'eau et l'éthanol. L'eau et l'éthanol vont ainsi bien se mélanger.
3. Le sulfate de cuivre II est un solide ionique. Expliquer sa solubilité dans l'eau.
Les interactions électriques entre l'eau et les ions du sulfate de cuivre sont suffisantes pour casser les liaisons
ioniques.
ues. Une fois le solide disloqués, les molécules d'eau entourent les ions, ce qui a pour effet de stabiliser les
ions en solution et d'éviter que les ions ne se ré-agrègent.
ré
4. Expliquer pourquoi le sulfate cuivre n'est pas soluble dans le cyclohexane.
Le cyclohexane
exane est un solvant apolaire. Les interactions électriques avec les ions du sulfate de cuivre ont une
intensité très faible
ible (forces de Van der Waals) et insuffisante pour rompre les liaisons ioniques.
5. Le rouge de méthyle est peu polaire. Il est soluble dans le cyclohexane. Quelle hypothèse plus générale pouvezpouvez
vous formuler à partir de cet exemple ?
On peut formuler l'hypothèse que les molécules
molécules peu polaires ou apolaires seront solubles dans les solvants
solvant
apolaires.