TP 1 extraction liq liq - e
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TP 1 extraction liq liq - e
TP 1 : méthode de l’extraction liquide-liquide Cas de l’extraction de la caféine du Breizh-Cola I) Principe : Utilité : L'opération d'extraction liquide-liquide consiste à transférer une espèce chimique d'un liquide à un autre. C'est l'une des opérations les plus fréquemment réalisée en laboratoire de chimie organique. L'extraction est possible si deux liquides ne sont pas miscibles (c'està-dire qu'ils forment deux phases distinctes). En général, il s'agit d'une phase aqueuse et d'une phase organique. Le plus souvent : - Soit on extrait un composé d'une phase aqueuse vers une phase organique afin de l’isoler. - Soit on lave une solution organique par une phase aqueuse, afin de se débarrasser des impuretés les plus solubles dans l'eau. Principe : On considère 2 solvants non miscibles S1 et S2 et une molécule A qui va pouvoir se répartir entre les 2 solvants. Il s’établit l’équilibre suivant Adissous dans S1 = Adissous dans S2 La constante d’équilibre de cet équilibre s’appelle coefficient de [A]S2 partage : = K = cste [A]S p 1 Comme KP est une constante, on peut montrer mathématiquement qu’il est plus efficace pour extraire A du solvant S1 à l’aide du solvant S2, d'utiliser plusieurs fois un petit volume de S2 que d'utiliser en une fois un gros volume de S2. Choix du solvant extracteur S2 : 2 critères sont importants : o L’espèce à extraire doit être le plus soluble possible dans le nouveau solvant. o La facilité avec laquelle on pourra éliminer le solvant extracteur pour récupérer l’espèce A pure. Principe « like dissolves likes » : plus la structure d’une molécule est proche de celle du solvant plus elle y sera soluble. Ainsi les molécules apolaires sont bien solubles dans les solvants apolaires et peu dans l’eau qui est polaire et inversement. Quelques solvants classiques : O O éther II) CH2Cl2 O acétate d'éthyle cyclohexane Technique expérimentale : L'extraction liquide-liquide est réalisée dans une ampoule à décanter. La réalisation de la manipulation est la suivante : Extraction : Dans l’ampoule à décanter, introduire la solution aqueuse à extraire et le solvant organique d'extraction. L'ampoule à décanter ne doit pas être remplie à plus des trois quarts de sa contenance. dichlorométhane Après avoir bouché l'ampoule, agiter vigoureusement à la main, robinet vers le haut, en ouvrant régulièrement le robinet afin de laisser s’échapper les vapeurs de solvant et d'éviter des surpressions dans l'ampoule ; attention à ne jamais diriger l'ampoule vers les voisins !! Orienter vers le mur. Replacer l'ampoule à décanter sur son support, et laisser décanter (en ayant enlevé le bouchon), jusqu'à ce que la séparation de phase soit assez nette. Récupérer dans un erlenmeyer la phase organique La position des phases aqueuse et organique dépend de la densité de chacun des 2 solvants. Dans la plupart des cas, le solvant organique est moins dense que l’eau. Ce n’est pas le cas du dichlorométhane (d = 1,3) Recommencer l'extraction (2 ou 3 fois en tout) : replacer la phase aqueuse à extraire dans l’ampoule et du solvant organique pur puis agiter de la même manière que précedemment. Rassembler les fractions organiques dans le même erlenmeyer. Séchage Après l'extraction, il est nécessaire de sécher la phase organique, c’est-à-dire d'éliminer les traces d'eau restantes. Pour cela, introduire dans l'erlenmeyer contenant la phase organique un produit avide d'eau mais inerte vis à vis de la molécule organique extraite : par exemple, du sufate de sodium Na2SO4, du sulfate de magnésium MgSO4 ou du chlorure de calcium CaCl2. En pratique, mettre 2 spatules de desséchant : on voit les grains de solide "gonfler" en absorbant l'eau ; rajouter du desséchant jusqu'à ce que l'on observe au fond du bécher des grains n'ayant pas grossi (cela signifie que toutes les traces d'eau ont été absorbées). Si tout le sel est gonflé et collé au fond, il reste de l’eau et il faut donc introduire une nouvelle quantité d’agent séchant. Si au contraire on observe l’agent séchant flottant librement dans le liquide sous forme de poudre fine, cela signifie que toute l’eau a été absorbée. Ensuite, filtrer le contenu de l'erlenmeyer pour éliminer la phase solide (desséchant plus traces d'eau), puis éliminer le solvant organique par distillation ou à l’aide d’un évaporateur rotatif. III) Cas de la caféine dans le Breizh-Cola : Le Coca-Cola© est une boisson gazeuse fabriquée pour la première fois à Atlanta en 1886. Il contient, entre autres, du dioxyde de carbone dissous, de l'acide phosphorique, des extraits de feuille de coca "décocaïnisées" et de noix de cola. Cette dernière contient de la caféine, stimulant cardiaque, diurétique, contenue aussi dans de nombreux médicaments. La caféine est représentée ci-contre. Elle a été extraite du café par Runge en 1820. On la trouve également dans le thé. C'est un solide cristallisé en aiguilles, de saveur amère, de point de fusion Tf = 237 °C. O N N O N N Peu soluble dans l'eau à température ordinaire, la caféine est plus soluble dans l'eau chaude, et surtout très soluble dans le dichlorométhane ou dans le chloroforme (CHCl3) en milieu basique. Dans ce TP, nous nous proposons d'extraire la caféine du BreizhCola©. A. Extraction de la caféine Placer 250 mL de Breizh-Cola© préalablement dégazé dans un bécher posé sur un agitateur magnétique, ajouter petit à petit une solution saturée de carbonate de sodium (base) jusqu'à ce que le pH soit à peu près égal à 9 (contrôler le pH avec le papier pH). Ajouter ensuite 50 mL de dichlorométhane (densité d = 1,32 ; température d'ébullition Teb = 40 °C), et agiter 3 minutes. Enlever le barreau aimanté à l’aide d’une baguette aimantée, puis transférer le contenu du bécher dans deux ampoules à décanter (normalement une seule suffit, mais nous ne disposons pas d'ampoules assez grandes). La phase supérieure coule en premier ; veiller à la répartir entre les deux ampoules, puis répartir la phase inférieure entre les deux ampoules. Pour chacune des deux ampoules, boucher et agiter (attention, une émulsion assez stable peut se former à l’interphase), puis laisser décanter en ayant pris soin d'ôter le bouchon, jusqu'à ce que la séparation de phases soit assez nette. Récupérer les phases organiques de chaque ampoule dans un même erlenmeyer ; pour cela, ouvrir le robinet de l'ampoule et faire couler doucement à l'approche de la séparation de phases, fermer à ce moment, attendre environ une minute, et récupérer le peu de phase organique apparue. Rajouter 25 mL de dichlorométhane dans chaque ampoule et recommencer : boucher, agiter, ouvrir et laisser décanter, puis récupérer les phases organiques dans le même erlenmeyer que précédemment. Sécher la phase organique avec du sulfate de magnésium (cf II). Agiter 5 minutes environ. B. Cristallisation de la caféine : A partir de ce point, la phase organique est sèche ; il ne faut pas de traces d'eau dans la verrerie. Il ne faut donc pas rincer au préalable la verrerie utilisée à partir de ce point, ni la laver après pour le groupe suivant. Vous pouvez par exemple noter dessus « verrerie sèche ». Filtrer le contenu de l'erlenmeyer sur papier filtre dans le grand ballon poire commun (sec) adapté à l’évaporateur rotatif. A l’aide de l’évaporateur rotatif, évaporer le liquide jusqu’à ce qu’il ne reste plus que du solide Verser le résidu dans une boite de Pétri où la caféine va cristalliser par évaporation du solvant. On obtient des cristaux de caféine brute (i.e. non purifiée). Pour vérifier leur pureté, mesurer leur température de fusion au banc Köfler. C. Mesure du point de fusion : En mesurant la température de fusion du produit obtenu, on va pouvoir à la fois prouver l’identité du produit et juger sa pureté (d’autant plus grande que la température de fusion mesurée sera proche de celle tabulée). Pour réaliser cette mesure vous allez utiliser le banc Köfler, schématisé à côté. Celui-ci est constitué d’un bloc métallique dans lequel se trouve une résistance chauffante, disposée de telle sorte qu’il existe un gradient de température à peu près linéaire sur la longueur du banc. La première opération consiste à étalonner le banc. Prendre dans la petite boîte des substances étalons (dont la température de fusion est connue avec précision) celle qui a la température de fusion la plus proche de celle du produit testé (ici la caféine). D. Questions : 1. Faites le schéma de l’ampoule à décanter et de son contenu : vous indiquerez notamment où se trouvent la phase organique et la phase aqueuse, ainsi que les espèces dissoutes dans chaque phase. Justifier le tout. 2. Quelle est la phase que l’on va conserver ? 3. Quelle est l’utilité de l’ajout de la base (le carbonate de sodium) en tout début de manipulation ? Indication : La caféine participe à l’équilibre acido-basique suivant : O H Déposer sur le banc quelques cristaux (il en faut très peu !) de la substance étalon. A l’aide de la petite spatule, pousser doucement vers la gauche les cristaux selon une ligne oblique N 80 70 N +H N + N O N N Plaque chaude Index mobile 90 N N O Liquide Solide O Températures en °C jusqu’à observation de la fusion. Positionner l’index mobile à la limite solide-liquide ; régler le curseur sur la température de fusion. Nettoyer immédiatement le banc avec un coton si possible sans l’imbiber d’éthanol pour éviter de dérégler le banc et tester votre produit. 4. Expliquer l’intérêt de la 2ème extraction, lorsque l’on rajoute dans l’ampoule pour la 2ème fois du dichlorométhane. 5. Expliquer l’intérêt de l’évaporateur rotatif. 6. Donner la valeur du point de fusion obtenu et commenter. 7. Le dichlorométhane est toxique à forte dose. Pouvez-vous proposer un autre solvant susceptible de le remplacer ? A l’aide des caractéristiques physiques du dichlorométhane, pouvez-vous donner un argument supplémentaire de son intérêt ? 8. Question supplémentaire : Comment identifier la phase aqueuse dans un mélange de 2 liquides non miscibles tous les 2 transparents ? Je demande un critère expérimental.