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Applications des techniques d'extraction, séparation et identification des matériaux

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Objectifs

• Interpréter les informations provenant d’étiquettes et de divers documents.
• Élaborer et mettre en œuvre un protocole d’extraction à partir d’informations sur les propriétés physiques des espèces chimiques recherchées.
• Utiliser une ampoule à décanter, un dispositif à filtration, un appareil de chauffage dans les conditions de sécurité.

Dans le domaine du sport, la chimie est continuellement présente, que ce soit dans l’élaboration de matériaux plus performants, dans l’extraction des espèces naturelles ou synthétisées, dans la recherche des produits dopants, etc. Plusieurs techniques sont alors utilisées pour extraire, séparer et identifier des espèces chimiques.

1. L'extraction d'espèces chimiques

L’extraction consiste à extraire une ou plusieurs espèces chimiques présentes dans un mélange.

Plusieurs méthodes simples existent :
• Pressage : on exerce une pression pour faire sortir un produit ;
• Décoction : on place dans de l’eau froide des végétaux et on les porte à ébullition. On récupère alors les espèces par évaporation ;
• Infusion : on trempe des végétaux dans de l'eau bouillante ;
• Macération : on fait séjourner à froid une substance dans un liquide ;
• Enfleurage : on dispose sur de la graisse des végétaux et on recueille sur celle-ci des arômes ;
• Décantation solide/liquide ou filtration :

• Décantation liquide/liquide : (comme l'extraction d'huile essentielle d'orange par exemple)

• Filtration sous vide :

2. Étude de l'extraction par un solvant et de la distillation

a. L'extraction par solvant

L’extraction par un solvant consiste à dissoudre l’espèce chimique recherchée dans un solvant non miscible avec l’eau et à séparer les deux phases obtenues.

Cette méthode se réalise dans une ampoule à décanter.

Le choix du solvant dépend de l’espèce chimique recherchée. L’espèce chimique à extraire doit être plus soluble dans le solvant que dans l'eau et le solvant ne doit pas être miscible à l'eau.

Remarque :
Le solvant étant volatil, il est possible de l'évaporer facilement et ainsi de récupérer l'espèce chimique.

Rappel : Deux liquides qui ne se mélangent pas sont dits non-miscibles. Ils forment une phase supérieure et une phase inférieure. La phase supérieure est constituée par le liquide le moins dense, celui qui constitue la phase inférieure est le liquide plus dense.

Exemple :
Extraction du diiode dissous dans une solution antiseptique.

b. Hydrodistillation (ou entraînement à la vapeur)

L'hydrodistillation permet d’extraire des espèces chimiques insolubles dans l’eau.

L’ébullition du mélange d’eau et du produit crée un courant de vapeurs constitué de vapeurs d’eau et de vapeurs des huiles essentielles du produit. Après condensation de ce mélange gazeux, on obtient un distillat constitué d’eau à l’état liquide et des huiles essentielles à l’état liquide. Les huiles essentielles, étant peu miscibles avec l’eau et moins denses que l’eau, surnagent.

Exemple :
Extraction des huiles essentielles.

c. La distillation fractionnée

La distillation fractionnée permet de séparer les espèces chimiques présentes dans un mélange liquide.

Principe :
• Le mélange à distiller est placé dans un ballon surmonté d’une colonne à distiller : colonne de Vigreux.
• On chauffe le ballon jusqu’à ébullition du mélange. Les vapeurs des différentes espèces chimiques montent dans la colonne à distiller, ce qui permet alors de séparer les différentes espèces chimiques.
• En tête de colonne à distiller, on trouve l’espèce chimique la plus volatile. Les autres se condensent et retombent dans le ballon.
• L’espèce chimique la plus volatile est condensée grâce au réfrigérant. On recueille le distillat.

3. Caractéristiques physiques des espèces chimiques

a. La température d'ébullition

On appelle température d’ébullition d’une espèce chimique, notée θ_eb, la température de passage de l’état liquide à l’état gazeux de cette espèce chimique à une pression donnée.

On la mesure à l’aide d’un thermomètre. L’unité est le degré Celsius : °C

b. La température de fusion

On appelle température de fusion d’une espèce chimique, notée θ_fus, la température de passage de l’état solide à l’état liquide de cette espèce chimique à une pression donnée.

On la mesure à l’aide d’un banc Kofler, d’un thermomètre. L’unité est le degré Celsius : °C

c. La masse volumique

La masse volumique ρ (lettre grecque "rho") d’une espèce chimique est égale au quotient de sa masse m par son volume V, telle que :

En unité S.I., les masses volumiques sont exprimées en kg/m³.

d. La densité

La densité caractérise la "lourdeur" d'un matériau par rapport à un matériau de référence.
Le matériau de référence est l'eau pour les solides et les liquides, l'air pour les gaz.
La densité d'un matériau se calcule par le rapport de sa masse volumique sur celle du matériau de référence. La densité est un nombre sans unité.

La densité des liquides et des solides correspond à :

La densité des gaz se calcule par la formule :

e. L'indice de réfraction

L’indice de réfraction, caractéristique d’une espèce chimique, est déterminé à l’aide de mesures d’angle ou directement à l’aide d’un réfractomètre.

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