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Solubilité et extraction par solvant
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Introduction :
La plupart des produits de nettoyage, comme par exemple le savon ou le produit vaisselle, contiennent des molécules dites tensioactives.
Les taches difficiles contiennent des matières grasses insolubles dans l’eau. Ces molécules tensioactives permettent de solubiliser les matières grasses dans l’eau de lavage.
Le caractère insoluble des matières grasses et les propriétés des tensioactifs sont dus aux interactions entre ces molécules et l’eau.
Ce chapitre vise à expliquer, à l’aide des interactions existant au niveau microscopique, les propriétés macroscopiques de solubilité et miscibilité de différentes espèces chimiques.
Ces notions sont ensuite illustrées sur les exemples du procédé d’extraction liquide-liquide et des propriétés des tensioactifs.
Mélanges de liquides et immersion des solides
Miscibilité
Considérons quelques liquides d’usage courant : de l’eau, de l’huile de cuisine et de l’alcool de pharmacie.
Si on verse de l’eau et de l’huile dans un verre, on observe que les deux liquides ne se mélangent pas, mais forment deux « couches » distinctes, l’huile restant au-dessus de l’eau.
Considérons maintenant le flacon d’alcool : le contenu est un liquide homogène. Or il s’agit d’une dilution et, comme l’éthanol est liquide à température ambiante, il s’agit donc bien d’un mélange des deux liquides.
Miscibilité :
La miscibilité de deux liquides représente leur tendance à former un mélange homogène une fois mélangés.
Deux liquides non miscibles forment deux phases distinctes.
Immersion ou flottaison des solides
Dans l’expérience avec l’huile et l’eau, on observe que l’huile forme une couche au-dessus de l’eau, et ce quel que soit l’ordre dans lequel on a versé les deux liquides.
Si, dans une autre expérience, on pose une bille de métal dans un verre d’eau, elle coule au fond.
Enfin, si on dépose un glaçon dans un troisième verre avant de le remplir d’eau, le glaçon remontera à la surface, où il restera partiellement immergé.
Chacune de ces situations met en jeu une force, la poussée d’Archimède. Cette force est la résultante des forces pressantes exercées par le fluide (ici l’eau), dirigées vers le haut.
Poussée d’Archimède :
La poussée d’Archimède est une force exercée par un fluide sur un objet qui y est immergé, en partie ou entièrement. Elle est égale en norme au poids du volume de fluide déplacé par l’immersion de l’objet, et dirigée vers le haut :
Où est l’accélération de pesanteur, dirigée vers le bas.
Poussée d’Archimède
Densité
Pour déterminer quels matériaux flottent ou coulent dans quels fluides, on se réfère soit à leurs masses volumiques, soit à leurs densités.
Densité :
La densité d’un matériau est le rapport de la masse volumique de ce matériau sur la masse volumique de l’eau. Les valeurs sont mesurées dans les mêmes conditions de température et de pression.
Quelques valeurs de densité sont présentées dans le tableau ci-dessous :
Substance fluide | Densité | Matériau solide | Densité |
Air (à et ) | Glace d’eau | ||
Essence | Pierre ponce | ||
Éthanol | Bois (chêne) | – | |
Huile d’olive | Verre (vitre) | ||
Lait | Acier (moyenne) |
Solubilité et solvants
L’eau, un solvant polaire
Le caractère polaire de la molécule d’eau est dû à sa géométrie et à la polarisation des deux liaisons .
Par interaction électrostatique, les charges partielles positive et négative attirent donc, respectivement, des entités chargées négativement ou positivement en formant des liaisons hydrogène.
De même, les molécules polaires, comme l’éthanol, sont solubles dans l’eau par formation de ponts hydrogène.
Solvatation d’un anion et d’un cation
Solvatation de la molécule d’éthanol
Solubilité et solvatation :
Solvants apolaires
Au contraire de l’eau, un solvant apolaire est constitué de molécules apolaires.
Par exemple, le pentane ou le cyclohexane sont des solvants organiques apolaires.
Représentations de Lewis des molécules de pentane et de cyclohexane
Le dioxyde de carbone supercritique est également un solvant apolaire, dont l’utilisation est de plus en plus fréquente.
À la pression atmosphérique, le est soit gazeux, soit solide (au-dessous de ).
Mais, à une température supérieure à et à une pression supérieure à , les propriétés du sont proches de celles d’un liquide, ce qui permet de l’utiliser comme solvant.
Un grand avantage du par rapport à d’autres solvants apolaires est qu’il s’évapore à la pression atmosphérique.
Des matériaux composés de molécules neutres et apolaires peuvent se mélanger avec, ou être solvatés par, des solvants apolaires. Des interactions de van der Waals entre dipôles instantanés et dipôles induits s’établissent.
On a vu qu’une molécule organique présentant une longue chaîne carbonée, comme l’octane ou le cyclohexane, est apolaire. Cependant ces nombreuses liaisons covalentes forment un grand nuage d’électrons. Celui-ci est polarisable, c’est-à-dire qu’un dipôle induit peut s’y former, facilitant les interactions de van der Waals.
Caractère hydrophile ou lipophile d’une molécule
Les ions et les molécules polaires peuvent former des ponts hydrogènes avec l’eau : ils y sont solubles (ou, pour les liquides, miscibles).
Au contraire, les molécules apolaires ne peuvent pas former de liaisons hydrogène avec l’eau, mais peuvent se mélanger à des solvants apolaires par interactions de van der Waals.
Considérons maintenant une molécule d’oléate.
Molécule d’oléate
On observe qu’une extrémité de la molécule porte une charge électrique et peut donc former des liaisons hydrogène avec l’eau. La longue chaîne carbonée de l’autre côté de la molécule est apolaire et rend la solubilité dans l’eau difficile.
Hydrophilie, lipophilie et amphiphilie :
Applications des propriétés des solvants
Procédure d’extraction liquide-liquide
Considérons la molécule de caféine ci-dessous, de formule brute . Les atomes d’azote sont indiqués en bleu.
Molécule de caféine
Cette molécule a un caractère amphiphile à cause, d’une part, des doublets libres des atomes d’azote et d’oxygène et, d’autre part, des deux cycles apolaires.
Pour produire des médicaments à base de caféine, et aussi fabriquer du café décaféiné, moins excitant que l’original, on extrait cette molécule de grains de café, torréfiés et trempés dans l’eau.
Extraction liquide-liquide :
L’extraction liquide-liquide est fondée sur la différence de solubilité d’un soluté dans deux phases non miscibles.
Ce procédé consiste à faire passer le soluté souhaité de la phase où il est moins soluble vers celle où il est plus soluble.
Les deux phases sont généralement une phase aqueuse et une phase organique contenant un solvant apolaire.
Le procédé d’extraction comporte plusieurs étapes.
Dans le cas de l’extraction de la caféine, le solvant n° 1 est l’eau. En guise de solvant n° 2, le dichlorométhane, une molécule organique apolaire, a longtemps été utilisé. Ce solvant toxique est peu à peu remplacé par le supercritique.
Propriétés des tensioactifs
Les molécules amphiphiles des savons sont aussi appelées des tensioactifs, car elles modifient la tension superficielle à l’interface entre deux phases.
Ceci est illustré, par exemple, par la formation des bulles de savon.
Celles-ci contiennent en fait de l’air, séparé de l’air extérieur par une pellicule d’eau de forme sphérique, maintenue par les molécules tensioactives.
Bulle de savon
Il existe plusieurs types de tensioactifs :
La molécule amphiphile d’oléate entre dans la composition du savon de Marseille. Elle est apportée par l’utilisation de l’oléate de sodium, un composé ionique.
Plus précisément, les molécules amphiphiles forment des liaisons à la fois avec les molécules d’eau et avec les acides gras et les molécules apolaires (taches sur le linge, sébum sur la peau, etc.). Il se forme alors une suspension « huile dans eau ».
Suspension et micelle :
Une suspension consiste en un mélange de deux phases non miscibles, où l’une des phases est contenue dans des micelles solvatées par l’autre phase.
Conclusion :
Deux liquides sont dits miscibles s’ils forment un mélange homogène. Une substance est soluble dans un liquide si ses composants (ions ou molécules) se séparent pour former des liaisons avec le liquide, appelé solvant.
Il existe des solvants polaires (notamment l’eau) et apolaires. Les molécules polaires et les ions, solubles dans l’eau, sont dits hydrophiles. Les molécules apolaires, insolubles dans l’eau, sont dits lipophiles.
Les molécules amphiphiles ont la particularité de pouvoir former des liaisons hydrogène avec les molécules d’eau, d’un côté, et des liaisons de type van der Waals avec des molécules apolaires, de l’autre côté.
La différence de solubilité de certaines molécules dans différents solvants permet de les extraire d’un mélange. Le procédé d’extraction liquide-liquide consiste à transférer une molécule d’un solvant à un autre, où elle est plus soluble au contraire des autres substances du mélange.
Les tensioactifs sont des molécules amphiphiles entrant dans la composition de produits nettoyants. Leur affinité avec l’eau, d’une part, et les matières grasses apolaires, d’autre part, permettent de créer une suspension de la phase grasse dans l’eau de lavage.