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Expérience # 1
Préparation et purification de l’éthanol
1. But
Le but de l’expérience consistera dans un premier temps à préparer l’éthanol par une
réaction de fermentation. Ce mélange sera ensuite utilisé pour se familiariser avec les
techniques de distillation simple et fractionnée.
L’indice de réfraction ainsi que la masse volumique seront utilisés pour la détermination
quantitative de la teneur en alcool et la fiabilité de la méthode de détermination sera
évaluée à partir d’un mélange dont la teneur est connue avec précision.
2. Théorie
2.1 Fermentation du sucre
La fermentation est sans doute la plus ancienne méthode de synthèse d’un composé
organique. C’est un processus qui permet de transformer les sucres contenus dans
diverses sources telles le sucrose (sucre de table), le glucose ou autres en éthanol, avec
libération de gaz carbonique. La réaction est réalisée par l’action d’enzymes produites par
des levures. Généralement, ces levures sont du genre Saccharomyces (cerevisae, balynus,
ou ellip soidus ) et ont la capacité de sécréter les enzymes nécessaires pour transformer le
sucre en alcool. Ces levures utilisent l’énergie dégagée lors de la réaction pour vivre et se
reproduire. La réaction globale est la suivante:
C 12 H22O11 → 4 C 2H5OH +
4 CO2
+
énergie
éq. 1
Cette réaction a ses limites et les levures sont inactivées lorsque la concentration en
éthanol devient trop grande. Généralement, la concentration qu’il est possible d’atteindre
se situe entre 5 et 15%. Le type de levures utilisé et la concentration initiale en sucre
déterminent cette teneur.
Lors de cette expérience, nous préparerons d’abord l’éthanol en faisant fermenter durant
une semaine ou plus du sucre de table dissous dans l’eau avec de la levure à pain
(Fleischmann’s). Comme le sucre de table est raffiné (très pur), il ne contient
pratiquement aucun nutriment pour permettre une bonne reproduction des levures, la
fermentation serait donc difficile dans ces conditions. C’est pour cette raison que l’on
ajoute une solution contenant des sels minéraux essentiels afin d’apporter les éléments
nécessaires à une bonne reproduction des levures (potassium, sodium, magnésium,
phosphates, tartrate, sulfates, azote inorganique).
Denys Grandbois, professeur
Collège Shawinigan, dépt. Chimie
Éléments de chimie organique
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Il est également nécessaire d’ajouter une petite quantité de jus de fruits ou d’un mélange
de fruits broyés pour donner un complément nutritif en sels minéraux. Les levures
utilisées sont quant à elles disponibles commercialement sous une forme déshydratée. On
alors les réhydrater dans de l’eau tiède légèrement sucrée avant de les ajouter au mélange
de fermentation.
Le montage utilisé pour cette fermentation est très simple. Il s’agit d’une fiole conique de
500 mL, contenant le mélange fermentable, qui est bouché avec une bonde partiellement
remplie d’eau. Cette bonde permet au gaz carbonique de s’échapper sans toutefois laisser
l’air entrer à l’intérieur. Il est en effet indispensable d’empêcher l’air d’entrer en contact
avec le bouillon de fermentation car les levures se serviraient de l’oxygène de l’air pour
transforment l’éthanol en acide acétique (vinaigre), ce qui diminuerait la concentration
finale en alcool et causerait des problèmes lors de la purification.
Une fois la fermentation terminée, le mélange sera purifié par deux types de distillation.
Nous pourrons alors comparer l’efficacité des deux types de distillation.
2.2 Purification par distillation
La distillation est la technique la plus couramment utilisée pour séparer et purifier des
liquides. Elle repose sur la vaporisation partielle d’un composé liquide suivie de la
condensation des vapeurs obtenues pour retrouver le composé purifié sous la forme
liquide. S’il y a des impuretés dans le liquide de départ (par exemple, de l’eau et des
sucres avec l’éthanol préparé), le comportement de la distillation variera selon que
l’impureté est volatile ou non (loi de Raoult, éq. 2).
Ptot = PAXA + PBXB
éq. 2
2.2.1 Distillation d’un liquide pur ou contenant un composé non volatil
Lorsque le liquide bout, les vapeurs résultantes sont pures car les impuretés ne
contribuent pas à la pression totale et restent dans le mélange bouillant. La condensation
de ces vapeurs donne ainsi le liquide purifié. Afin de connaître la température d’ébullition
du liquide, on place un thermomètre à l’entrée du condenseur (figure 2). Vu qu’une partie
des vapeurs se condense sur le thermomètre, la température lue correspond à la
température d‘ébullition. Cette température peut-être estimée grâce à la loi de Raoult
lorsque nous connaissons la pression de vapeur du liquide pur ainsi que sa fraction
molaire.
Si on mesure la température d’ébullition en fonction du volume de distillat, on obtient
une courbe de distillation. On observe tout d’abord une rapide montée de température
(qui correspond au chauffage du système) puis celle-ci se stabilise à une certaine valeur
pour donner un plateau. Ce plateau correspond à l’équilibre liquide- vapeur et définit le
point d’ébullition.
L’ébullition survient lorsque la pression de vapeur d’une substance est en équilibre (est
égale à) avec la pression atmosphérique. La température d’ébullition variera donc en
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fonction de la pression lors de l’expérience. Les points d’ébullition sont souvent
rapportés à une pression de 760 mm Hg. Comme la température d’ébullition dépend de la
pression atmosphérique, on devrait prendre une lecture de celle-ci lors d’une distillation
afin de corriger la température d’ébullition mesurée et de pouvoir la comparer avec les
valeurs de la littérature. Remarquez que la correction est souvent inférieure à 0,5ºC, ce
qui est négligeable pour un travail de routine.
2.2.2 Distillation d’un mélange de deux liquides volatils
Lorsqu’on chauffe un mélange binaire composé de deux liquides (A et B) où le liquide A
est plus volatil que le liquide B, on peut prévoir que le composé A sera le plus facile à
vaporiser. Par exemple, si on a un mélange contenant une fraction molaire de A
équivalant à 0,30, la vapeur résultante sera enrichie en composé A par rapport au mélange
initial. Ce qui n’est pas encore distillé sera par contre enrichi en composé B (moins
volatil). Pour atteindre le point d’ébullition, il faudra donc chauffer davantage le mélange
pour poursuivre la distillation. La composition de la vapeur reflétera ce changement et
s’enrichira éga leme nt en produit moins volatil B. À la fin, lorsque tout A sera évaporé, il
ne restera que B pur et donnera une vapeur pure. Le comportement de ce mélange est
décrit par la loi de Raoult qui est présentée à l’équation 2.
Graphiquement, le diagramme de phases d’un mélange idéal est comme celui illustré cidessous.
Figure 1. Courbe de distilla tion d’un mélange binaire idéal
Il est important de se rappeler que cette loi ne s’applique qu’à des mélanges idéaux (ou
considérés comme tels). Les mélanges non idéaux dévient de cette loi et il est difficile de
prédire leurs comportements lors d’une distillation (mélanges azéotropiques).
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Pour effectuer une distillation, deux types de montages peuvent être utilisés: le montage à
distillation simple (figure 2) et le montage à distillation fractionnée (figure 3). Le choix
dépend du mélange à distiller.
Figure 2. Montage à distillation simple
Figure 3. Montage à distillation fractionnée
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Si on distille un mélange un mélange binaire (A+B) dans un montage à distillation simple
et qu’on mesure la température d’ébullition en fonction du volume de distillat recueilli,
on constate que la température augmente d’abord très rapidement puis se stabilise à une
certaine valeur: on a un plateau où la températ ure est à peu près constante. Ce plateau
correspond au point d’ébullition du composé A (le plus volatil). À mesure que la
séparation progresse, la température augmente et atteint un second niveau où elle se
stabilise de nouveau: c’est le point d‘ébullitio n du composant le moins volatil, B.
Figure 4. Qualité de séparation d’un mélange de deux composants.
L’aspect général de la courbe de distillation donne une bonne idée de la qualité de la
séparation. Si la courbe possède deux plateaux bien définis (fig. 5-a et 5-b), la séparation
est jugée bonne, car il est possible de recueillir séparément une certaine quantité de
chacun des composants A et B purs. Il faut noter qu’il y a une troisième fraction
intermédiaire, qui est un mélange de A et B qui ont été distillés simultanément, dont
l’importance varie selon la qualité de la séparation (faible si la séparation est bonne et
grande si la séparation est mauvaise).
Évidemment, lorsqu’on veut séparer, il faut fractionner le distillat et ne recueillir que ce
qui condense à une température constante (ou du moins sur un intervalle de quelques
degrés). On obtient où on a une bonne séparation par distillation simple lorsqu’il y a une
grande différence entre les points d’ébullition de A et B (plus de 50°C, comme pour le
mélange éthano l, Peb = 78°C et hexanol, Peb = 157°C). Cette différence est souvent
moindre, comme pour le mélange éthanol (78°C) et eau (100°C).
Dans ce cas, la séparation est incomplète (aspect de la courbe de distillation semblable à
la fig. 5-c ou 5-d). On peut toutefois reprendre la distillation avec une fraction du distillat
possédant un faible intervalle de température (disons 10°C). Ce nouveau mélange sera
encore enrichi et on pourra le recueillir plus pur (l’aspect de la courbe ressemblera plus à
5-b). Si cela n’est pas suffisant, on peut refaire cette distillation autant de fois que
nécessaire. Mais le prix à payer est une perte considérable en produits (car on en élimine
à chaque distillation), ce qui n’est pas acceptable lorsque les quantités sont limitées, ou
quand le produit est très lucratif (semblable au Viagra…).
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Pour remédier à ce problème, on peut regrouper ces distillations multiples en une seule en
modifiant le montage à distillation: on interpose une colonne de fractionnement entre le
ballon et le co ndenseur. Cette colonne (figure 6) peut être remplie de billes de verre, de
porcelaine ou d’autre chose de façon à avoir une très grande surface de contact avec les
vapeurs.
Figure 5. Équilibres s’établissant dans une colonne de fractionnement.
La séparation se fait grâce à une série de cycles interreliés de vaporisations-condensations
plus ou moins en équilibre entre eux qui s’établit dans la colonne de fractionnement. Il
s’établit ainsi un gradient de température dans la colonne (elle diminue à mesure que l’on
monte), ce qui tend à retenir le liquide moins volatil (en favorisant sa condensation sur la
surface du matériel de remplissage de la colonne) et à laisser passer le liquide volatil.
Une fois arrivées en haut de la colonne, les vapeurs ne sont en principe que constituées
que de composé A pur, qui est condensé pour donner le liquide A pur. La courbe de
séparation devrait alors ressembler à la figure 5-a ou 5-b. Une telle colonne permettra de
séparer deux liquides dont les différences de points d’ébullition sont inférieures à 10°C.
Les mélanges qui ne sont pas idéaux ne sont pas parfaitement purifiés par distillation,
quelque soit la qualité de celle-ci ou le nombre de fois qu’on l’aura faite: ce sont les
mélanges azéotropiques. Le mélange eau-éthanol en est un et il est impossible d’obtenir
de l’alcool pur à 100% par distillation du mélange eau-éthanol. Le maximum de pureté
que l’on peut atteindre est de 95,6% d’alcool et constitue l’alcool 94 du commerce
(SAQ).
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Figure 6. Différents type s de colonnes de fractionnement
Cette expérienc e se déroule en trois semaines. La première semaine de laboratoire est
consacrée au démarrage de la fermentation, qui donnera le mélange d’alcool à distiller,
ainsi qu’aux deux distillations simples de l’eau et de l’éthanol purs. En notant la
température d’ébullition mesurée en fonction du volume recueilli pour chaque composé
pur, ces données serviront à construire deux courbes de distillations et à déterminer les
points d’ébullitions de l’eau et de l’éthanol.
La fermentation sera terminée à la deuxième semaine de laboratoire. C’est ce bouillon de
fermentation (mélange contenant approximativement 10-12% d’éthanol) qui sera utilisé
pour faire la troisième distillation simple. En notant la température en fonction du volume
de distillat, on pourra établir une courbe de distillation expérimentale. On pourra juger de
la qualité de la séparation en comparant l’aspect général de la courbe avec les différentes
courbes de la figure 5. On conserve le distillat pour faire les mesures des constantes
physiques comme l’indice de réfraction (réfractomètre) et de la densité (densimètre). Ces
données seront ensuite comparées aux valeurs de la littérature et permettront de juger de
la pureté l’alcool obtenu. Une simple règle de trois permettra d’évaluer la concentration
en éthanol dans le bouillon de fermentation initial.
La distillation fractionnée du reste du bouillon de fermentation sera effectuée lors de la
troisième semaine. On refait encore une autre série de mesures de la température en
fonction du volume de distillat. En portant en graphique ces données et en les comparant
avec la distillation simple du même mélange, on sera en mesure de juger quel type de
distillation permet de faire la meilleure séparation de l’alcool contenu dans un jus de
fermentation. Si on utilise différents types de colonnes, on pourra même trouver laquelle
permet de faire la meilleure séparation.
* Raymond Chang, Luc Papillon, Chimie fondamentale volume 2, 2ième édition,
Chenelière, Montréal (2002). pages 52-5.
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3. Mode opératoire
3.1 Préparation du mélange à fermenter
1. Pesez 1 g de levure sèche dans un bécher de 100 mL et réhydratez- les avec 20 mL
d’eau tiède contenant une pointe de spatule de sucre. Laissez reposer pendant 10 à
15 minutes.
2. Pendant ce temps, pesez directement 100 g de sucre et 50 g de jus de raisins
concentré (ou une masse équivalente de fruits écrasés) dans la fiole conique de
500 mL.
3. Ajoutez 30 mL de solution de Pasteur et complétez le volume à 400 mL avec de
l’eau du robinet.
4. Agitez pour tout dissoudre et versez la suspension de levures. Fermez avec la
bonde partiellement remplie d’eau et remisez dans l’armoire prévue. Évidemment,
n’oubliez pas d’identifier correctement votre contenant (en respectant les règles
du SIMDUT : Nom du produit, dangers, manipulation sécuritaire et FS existante
ou non).
3.2 Distillation simple de l’éthanol
1. Assemblez le montage à distillation simple tel qu’ illustré à la figure 2. Assurezvous de disposer de suffisamment d’espace entre la mante chauffante et la table
afin de pouvoir l’enlever si nécessaire (si la réaction s’emballe). Évidemment, les
parties de votre montage doivent être fixées adéquatement au statif afin de
supporter le montage dans l’éventualité où vous retirez la mante chauffante J.
Faites vérifier votre montage par un(e) responsable avant de commencer
l’expérience. Vous utiliserez un ballon de 250 mL comme ballon à distillation et
le récipient de réception sera un cylindre gradué de 50 mL ou de 100 mL, selon le
cas. Vous n’ajouterez le bec verseur au montage que lorsque la première goutte
commencera à descendre dans le condenseur.
2. Placez environ 100 mL d’éthanol dans le ballon de 250 mL et ajoutez une pincée
de pierres d’ébullition (afin d’uniformiser l’ébullition). Chauffez le ballon en
utilisant une mante chauffante adaptée. Placez le rhéostat à environ 80% pour
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chauffer rapidement au début puis abaissez un peu cette intensité lorsque
l’ébullition commence (si nécessaire). Si le chauffage est trop intense, vous
surchaufferez les vapeurs et la température notée sera erronée.
NOTE: Il est dangereux de brancher directement la mante chauffante sur la
prise de courant (risque de surchauffer et de brûler la mante). L’ordre à
respecter est le suivant : la rhéostat est branché à l’alimentation locale et
la mante est branchée au rhéostat J.
3. Lorsque les vapeurs atteignent le thermomètre et commencent à se condenser
dans le condenseur, ajoutez le bec verseur, et notez la température lorsque la
première goutte de liquide tombe dans le cylindre gradué.
4. Continuez le chauffage de telle sorte que le distillat s’écoule à une vitesse de 1 à 2
gouttes par seconde (d’où la nécessité de réduire l’intensité du chauffage dans
certains cas). Notez la température aux 2 mL pour les 10 premiers mL de distillat
et espacez ensuite ces lectures à tous les 4 mL (lorsqu’un plateau est observé).
5. Distillez un volume total inférieur à 50 mL et arrêtez le chauffage. Laissez
refroidir un peu le montage et retirez le ballon à distiller. Videz son contenu dans
un contenant de récupération prévu à cet effet.
3.3 Distillation simple d’un mélange connu eau-éthanol
1. Prélevez exactement 60,0 mL d’eau distillée dans un cylindre gradué de 100 mL
et 40,0 mL d’éthanol dans un autre cylindre. Versez le contenu du second dans le
premier et notez le volume total des solutions.
2. Trouvez la densité et l’indice de réfraction de l’eau et de l’éthanol dans un
handbook (pas nécessairement à ce moment J).
3. Mesurez l’indice de réfraction et la densité du mélange. Notez le volume qui reste
dans le cylindre gradué (celui que vous utiliserez pour distiller).
4. Distillez ce volume du mélange en notant la température aux 2 mL. Cette fois,
vous arrêterez la distillation lorsqu’un plateau sera observé pour l’eau
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(évidemment, à la température d’éb ullition de l’eau pure). Il est préférable de
distiller un peu plus longtemps que moins…
5. À la fin, notez le volume de distillat et mesurez son indice de réfraction et sa
masse volumique.
6. Récupérez l’éthanol dans le contenant prévu à cet effet.
3.4 Distillation fractionnée du mélange fermenté.
1. Effectuez un montage à distillation fractionnée tel que présenté à la figure 3.
2. Assurez- vous que les parties du montage sont bien fixées afin de pouvoir retirer le
ballon et/ou la mante chauffante.
3. Décantez votre mélange de fermentation et mesurez le volume de la partie liquide.
4. Versez ce volume dans un ballon à distillation approprié en ajoutant quelques
pierres à ébullition et quelques gouttes d’un agent anti- moussant (dodécanol).
5. Distillez le mélange de la même faço n qu’à la partie 3.3.
6. À la fin, notez le volume de distillat et mesurez son indice de réfraction et sa
masse volumique.
7. Récupérez l’éthanol dans le contenant prévu à cet effet.
4. Cahier de laboratoire
1. Titre de l’expérience
2. But
3. Collez un schéma des montages utilisés et faites un organigramme des manipulations.
Ce dernier ne devrait pas occuper plus d’une page…
4. Données et observations
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5. Rapport de laboratoire
1. Page titre
2. Données et observations (1,5 pts)
Tableau # 1 Résumé des conditions de la fermentation
Masse de sucre blanc (g)
Masse de levures (nature :____) (g)
Masse de fruits (nature : _____) (g)
Volume total (mL)
Temps de réaction (Jours)
Température de réaction (°C)
Tableau # 2 Résumé de la distillation simple du mélange connu
Mélange connu (~ 40% v/v):
% p/p éthanol
(Handbook)
Volume éthanol (mL)
Masse volumique litt. (g/mL)
Téb prévue (°C)
-------
Volume d’eau (mL)
Masse volumique litt. (g/mL)
Téb prévue (°C)
Volume total (mL)
-------
100
------0
-------------
Indice de réfraction mesuré
Masse volumique mesurée à T=___ (g/mL)
Volume distillé (mL)
Volume distillat (mL)
-------------
Masse volumique à T=____ (g/mL)
Tableau # 3 Résumé de la distillation fractionnée du mélange fermenté
Mélange fermenté :
% p/p éthanol
(Handbook)
Volume distillé (mL)
Volume distillat (mL)
-------------
Masse volumique à T=____ (g/mL)
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3. Calculs et graphiques (3,5 pts)
§ Calculez le % v/v en éthanol de la solution connue.
§ Calculez le % p/p en éthanol à l’aide des densités trouvées (handbook).
§ Déterminez le % p/p en éthanol de la solution connue à l’aide de sa densité et de
son indice de réfraction (que vous avec mesurés). Demandez-vous quelle méthode
est la plus fiable pour déterminer la teneur en alcool.
§ En utilisant le volume de distillat et ses propriétés que vous aurez mesurées,
calculez le % p/v. Déterminez la masse d’alcool à l’aide de la méthode que vous
aurez jugée la plus fiable (indiquez la méthode, indice de réfraction ou densité).
§ Calculez la teneur en alcool de votre mélange fermenté de la même façon qu’à
l’étape précédente.
§ Tracez les 3 courbes de distillation sur un même graphique en les identifiant
correctement. Déterminez graphiquement les températures d’ébullition.
4. Résultats (2,0 pts)
Tableau # 4 Résultats des distillations
mélange connu :
% v/v
% p/p
% p/p selon ind. réf.
% p/p selon densité
%p/p récupéré* selon ind. réf.
%p/p récupéré* selon masse volumique
Mélange fermenté :
%p/v selon ind. réf.
%p/v selon masse volumique
% p/v du mélange fermenté (le plus fiable)
Le % p/p récupéré correspond à la teneur en alcool calculée à l’aide de la quantité
d’alcool dans le distillat et de la quantité distillée.
*
5. Discussion (3,0 pts)
§ Le volume de la solution d’eau-éthanol est- il exactement 100,0 mL? Expliquez.
§ Quelle méthode d’évaluation de la teneur en éthanol est la plus fiable (indice de
réfraction ou densité)? Expliquez brièvement.
§ Commentez la fiabilité de la teneur en éthanol déterminée par la distillation d’un
mélange. (Retrouvez-vous la teneur prévue pour le mélange aux proportions
connues?).
§ Rappelez et commentez la teneur en éthanol obtenue par votre fermentation.
N’oubliez pas de rappeler la nature des fruits utilisés…
§ Comparez et commentez les deux méthodes de distillations utilisées.
§ Dites pourquoi nous distillons jusqu’à ce que l’on atteigne le plateau
correspondant à la distillation de l’eau malgré le fait que nous abaissons la teneur
en alcool du distillat.
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