Tp02 : chromatographies i. colorants alimentaires

Terminale S / spécialité chimie
A: Extraire et identifier des espèces chimiques
TP02 : CHROMATOGRAPHIES
PRINCIPE
La chromatographie permet de séparer et d'identifier les espèces chimiques d'un mélange. Elle est basée sur leur
différence d'affinité pour deux phases : la phase stationnaire, ou phase fixe, et la phase mobile appelée éluant et constituée
d'un mélange de solvants.
I. COLORANTS ALIMENTAIRES DANS UN SIROP
Objectifs :
Optimiser, par le choix de l’éluant (nature et concentration), la séparation des constituants d'un mélange de deux
colorants, en utilisant la technique de chromatographie de partage sur papier.
La chromatographie sur papier est une chromatographie de partage basée sur la différence de solubilité des espèces à
séparer.
La phase stationnaire est formée par l'eau liée ou adsorbée au molécules de cellulose du papier.
La phase mobile est un liquide, l’éluant.
Si une espèce est plus soluble dans l’éluant, elle se déplace plus rapidement qu’une espèce qui l’est moins et inversement.
Présentation de la démarche
Réalisation des chromatographies sur papier de solutions aqueuses de colorants (jaune de tartrazine et bleu patenté V)
avec différents éluants afin de déterminer celui qui convient le mieux pour la séparation.
Application à la chromatographie des colorants contenus dans un sirop de menthe :
Les colorants du sirop sont extraits à l’aide d’un morceau de laine préalablement traitée par une solution basique (solution
d’ammoniac). Dans un premier temps, ils sont extraits du sirop dans un milieu acide (vinaigre) où ils se fixent sur la laine.
Dans un second temps, la laine est plongée en milieu basique pour relarguer les colorants (et donc les faire passer en
solution). La chromatographie est réalisée avec l’éluant déterminé précédemment.
PROTOCOLE
Matériels
Éprouvettes graduées de 10 et 50 mL
Verre de montre
Tubes à essais
Bechers
Matériel pour chromatographie sur papier
Agrafeuse
Plaque chauffante (ou agitateur magnétique
chauffant)
Laine blanche vierge
Pique apéritif
Plaque de silice
Produits
Solutions de chlorure de sodium de concentrations
massiques 20 g ⋅L−1, 40 g⋅L−1 et 100 g⋅L−1
Solution d’ammoniac concentrée
Éthanol à 95°
Solution aqueuse de bleu patenté V à 1 % (1 g de
bleu patenté V pour 100 mL d’eau)
Solution aqueuse de jaune de tartrazine à 1 % (1 g
de jaune de tartrazine pour 100 mL d’eau)
Sirop de menthe
Vinaigre blanc
MODE OPERATOIRE
1. Réalisation de chromatographies avec différents éluants
-
Préparer six chromatogrammes (papier Whatman n° 1 ou papier filtre) et déposer chaque colorant en solution aqueuse
à 1 % sur chacune des feuilles de papier.
-
Réaliser les dépôts en laissant 2 cm entre les dépôts et entre le premier dépôt et le bord du papier (les taches ont
tendance à s’étendre beaucoup plus qu’en chromatographie sur couche mince) ; sécher et faire une seconde
application.
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-
Sécher et donner au papier une forme cylindrique de diamètre inférieur à celui du diamètre intérieur de la cuve en
attachant les bords opposés avec des agrafes : il ne faut pas que les deux bords du chromatogramme soient en contact
et que le chromatogramme touche la paroi de la cuve.
-
Réaliser l’élution avec les éluants suivants :
Éluant
1
2
3
4
5
6
Composition
Eau pure
Éthanol à 95°
Éthanol/eau dans le rapport 50/50 en volume
Eau salée à 20 g⋅L−1
Eau salée à 100 g⋅L−1
Éthanol à 95°/eau salée à 40 g⋅L−1 dans le rapport 50/50 en volume
-
Sécher le chromatogramme.
-
Conclure sur le choix de l’éluant pour l’application.
2. Application : chromatographie d’un sirop de menthe
Extraction des colorants
Il faut séparer les colorants des autres espèces chimiques qui composent le sirop.
Dans un premier temps on utilise une propriété des molécules qui constituent la laine ; celles-ci fixent les molécules de
certains colorants.
Ensuite il faudra séparer les colorants de la laine avant de concentrer la solution en évaporant l'eau.
- Préparation de la laine.
Mettre sept ou huit brins de laine dans un bécher contenant une solution d'ammoniac (50 mL d'eau et 10 gouttes d'une
solution d'ammoniac concentrée).
Faire bouillir pendant deux minutes. Remuer à l’aide d ’un agitateur en faisant bien pénétrer la solution dans la laine.
Retirer la laine avec des pinces métalliques. Rincer à l'eau. Faire bouillir à nouveau dans 50 mL d'eau.
- Fixation des colorants.
Dans un bécher verser 25 mL de sirop et ajouter sous la hotte, 3 gouttes d'acide éthanoïque pur.Ajouter les brins de laine
et faire bouillir 10 minutes. Sortir la laine du bécher à l'aide de pinces métalliques et rincer àl'eau chaude.
- Extraction des colorants.
Il faut faire dégorger les colorants qui se sont fixés sur la laine.
Mettre la laine dans un bécher contenant une solution d'ammoniac (20 mL d'eau et deux gouttes de solution concentrée
d'ammoniac).
Faire bouillir très doucement jusqu'à ce que la solution se colore (ajouter si nécessaire quelques gouttes desolution
d'ammoniac).
Retirer la laine à l'aide de pinces et concentrer la solution par évapo
ration d'eau sans amener à sec.
Chromatographie des colorants
-
-
Réaliser les dépôts suivants sur le papier :
•
colorants du sirop de menthe ;
•
solution aqueuse de bleu patenté à 1 % ;
•
solution aqueuse de jaune de tartrazine à 1 %.
Réaliser l’élution à l’aide de l’éluant préalablement déterminé.
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Questions
Le sirop de menthe contient du bleu patenté V (E131), généralement fourni sous la forme de sel calcique, et du jaune de
tartrazine (E102), généralement fourni sous forme de sel trisodique.
Jaune de tartrazine (E102)
Bleu patenté V (E131)
Na+, -O3S
C2H5
O
N
C
N
HO
N
N
C2H5
O-, Na+
N
OH
C2H5
N
-O S3
SO3- , 1/2 Ca2+
C2H5
SO3-, Na+
Sel calcique ou sodique du sel interne hydroxyde de N-éthyl NSel trisodique de l'acide (sulfo
-4' phénylazo
-1')
-4 (sulfo-4
[(diéthylamino-4
phényl)
(hydroxy-5
disulfo-2,4
phényl)
phényl)-1 hydroxy-5 pyrazolecarboxylique-3
méthylène]-4 cyclohexadiène-2,5 ylidène-11 éthaneaminyium
1. Conclure sur la nature des colorants présents dans le sirop de menthe.
2. Au vu des formules chimiques, expliquer pourquoi le jaune de tartrazine est moins soluble dans l’éthanol que le bleu
patenté.
3. En vous aidant des résultats obtenus en chromatographie sur papier, conclure sur les solubilités comparées des deux
colorants selon la nature de l’éluant.
II. CHROMATOGRAPHIE D'ADSORPTION
La chromatographie sur couche mine et la chromatographie sur colonne sont des chromatographie d'absorption; elles so
nt
basées sur la différence d'ad
sorption sur la phase stationnaire, des espèces à séparer entraînées par l'éluant.
La phase stationnaire est un solide, généralement de la silice ou de l'alumine.
1. Chromatographie sur colonne d’un sirop de menthe
La technique de chromatographie sur colonne repose sur le même principe que la chromatographie sur couche mince :
les espèces chimiques à séparer sont plus ou moins entraînées par un éluant sur une phase fixe :
-
La phase fixe est un solide, le plus souvent de la silice ou de l’alumine remplissant une colonne ;
-
L’échantillon est déposé en haut de la colonne. La séparation des espèces chimiques est obtenue par l’écoulement
continu d’une phase mobile (l’éluant) à travers la colonne ;
La séparation est basée sur une différence de vitesses d’entraînement des espèces
chimiques vers le bas de la colonne. L’objectif de ce TP est donc de séparer les
constituants colorés d’un sirop de menthe (colorants alimentaires : le E102 et le
E131) puis de montrer l’intérêt de la chromatographie sur colonne vis à vis de la
chromatographie sur couche mince.
a. Séparation des colorants alimentaires d’un sirop de menthe
Préparation de la colonne (phase fixe)
L’opération de remplissage de la colonne conditionne l’efficacité de la séparation. Il
ne faut pas qu’il y ait de bulles ou de zone sans phase stationnaire car on aurait alors
des chemins préférentiels nuisant à une bonne séparation des composés. Pendant la
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phase d’élution avec le solvant on veillera également à ne pas assécher la partie supérieure de la phase fixe.
•
Fixer verticalement la colonne à l’aide d’une pince ;
•
Déposer un petit morceau de coton dans le bas de la colonne ;
•
Peser environ 10 g de silice ;
•
Introduire la silice dans la colonne ;
•
Tapoter la colonne afin d’obtenir une surface plane de silice ;
•
Placer un bécher sous la colonne ;
•
Introduire doucement de l’eau distillée (à l’aide d’une pipette plastique par écoulement de long de la paroi de la
colonne). Ajouter une quantité d’eau suffisante pour être environ à 2 cm au dessus de la surface plane de la silice.
Dépôt de l’échantillon à séparer
•
•
•
•
•
Déposer très doucement à l’aide d’une pipette, sans toucher les parois de la colonne, l’échantillon de sirop de
menthe : attention à ne pas déformer la surface de la phase stationnaire pendant cette opération ;
Lorsque le sirop de menthe a pénétré à la surface de la phase stationnaire, éluer avec l’eau en remplissant la
colonne ;
Lorsque le premier colorant arrive en bas de la colonne le récupérer dans une première cuve ;
Eluer ensuite avec un autre éluant : un mélange d’éthanol + eau salée ;
Lorsque le second colorant parvient en bas de la colonne, le récupérer dans une seconde cuve.
Quel sont les différences et l’intérêt de ce type de chromatographie par rapport à celle sur couche mince ?
b. Caractérisation des espèces par chromatographie sur couche mince (V.TP01)
Préparer deux cuves environ une demi-heure à l’avance :
Cuve n° 1 : verser l’éluant sur 2 cm (5 mL cyclohexane/1 mL éthanoate d'éthyle )
Cuve n° 2 : placer quelques cristaux de diiode sur du gel de silice au fond de la cuve ou sable de Fontainebleau (travailler
sous la hotte).
Mettre 1mL de cet eluant dans 4 tubes à essais T1,T2, T3 et T4 et ajouter dans :
Tube n° 1 : 1 goutte d’huile essentielle extraite ;
Tube n° 2 : 1 goutte d’huile essentielle commerciale ;
Tube n° 3 : 1 goutte d’eugénol commerc ial ;
Tube n° 4 : 1 goutte d’acétyleugénol
Déposer les échantillons sur une plaque.
Réaliser l’élution puis révéler au diiode ou avec une lampe UV.
Questions
Dessiner le chromatogramme, déterminer les rapports frontaux (Rf). Conclure.
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