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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.

  • L’eau et l’huile ne sont pas miscibles.

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.

  • L’eau et l’éthanol sont miscibles.
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Définition

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.

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À retenir

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), dirigée vers le haut.

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Définition

Poussée d’Archimède :

La poussée d’Archimède est une force exercée par un fluide sur une 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 :

Π=ρfluideVimmg\vec{\Pi} = - \rho{\,\text{fluide}}\cdot V\text{imm}\cdot \vec{g}

g\vec{g} est l’accélération de pesanteur, dirigée vers le bas.

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Exemple

physique chimie première réforme solubilité extraction solvant poussée Archimède Poussée d’Archimède

  • Dans le cas de la bille, la poussée d’Archimède est égale au produit de la masse volumique de l’eau par le volume de la bille, par l’accélération de pesanteur. Cette force est inférieure en norme au poids de la bille et celle-ci tombe au fond.
  • Au contraire, le glaçon a une masse volumique légèrement inférieure à celle de l’eau, ainsi la poussée compense-t-elle le poids du glaçon si celui-ci est partiellement immergé.
  • De même, l’huile « flotte » sur l’eau.

Densité

Pour déterminer quels matériaux flottent ou coulent dans quels fluides, on se réfère soit à leurs masses volumiques, soit à leurs densités.

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Définition

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 températue et de pression.

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Exemple

Quelques valeurs de densité sont présentées dans le tableau ci-dessous :

Substance fluide Densité Matériau solide Densité
Air (à 20°C20\,\degree \text{C} et 1013 hPa1013\ \text{hPa}) 1,20×1031,20 \times 10^{-3} Glace d’eau 0,90,9
Essence 0,750,75 Pierre ponce 0,910,91
Éthanol 0,790,79 Bois (chêne) 0,610,610,980,98
Huile d’olive 0,920,92 Verre (vitre) 2,532,53
Lait 1,031,03 Acier (moyenne) 7,87,8

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 OH\text{O}-\text{H}.

Par interaction électrostatique, les charges partielles positive et négative attirent donc, respectivement, des entités chargées négativement ou positivement en formant des liaisons hydrogène.

  • Cela permet à l’eau de solvater cations et anions.

De même, les molécules polaires, comme l’éthanol, sont solubles dans l’eau par formation de ponts hydrogène.

physique chimie première réforme solubilité extraction solvant solvatation anion cation Solvatation d’un anion et d’un cation

physique chimie première réforme solubilité extraction solvant solvatation éthanol Solvatation de la molécule d’éthanol

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Définition

Solubilité et solvatation :

  • La solubilité représente la tendance d’une espèce chimique à se dissoudre dans un solvant.
  • La solvatation est la formation de liaisons entre les molécules du solvant et les molécules ou ions du soluté. Ce procédé est nécessaire à la dissolution.

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.

physique chimie première réforme solubilité extraction solvant Lewis cyclohexane pentane Représentations de Lewis des molécules de pentane et de cyclohexane

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Exemple

Le dioxyde carbone supercritique est également un solvant apolaire, dont l’utilisation est de plus en plus fréquente.

À la pression atmosphérique, le CO2\text{CO}2 est soit gazeux, soit solide (au-dessous de 78,5°C-78,5\,\degree \text{C}).
Mais, à une température supérieure à 31,1°C31,1\,\degree \text{C} et à une pression supérieure à 72,9 bar72,9\ \text{bar}, les propriétés du CO2\text{CO}
2 sont proches de celles d’un liquide, ce qui permet de l’utiliser comme solvant.

Un grand avantage du CO2\text{CO}_2 par rapport à d’autres solvants apolaires est qu’il s’évapore à la pression atmosphérique.

  • Il n’y a donc pas de nécessité de purifier le mélange extrait ni de risque d’y trouver des traces d’un solvant toxique.
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À retenir

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.

  • La solubilité d’un soluté dans un solvant apolaire varie d’un solvant à l’autre.

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.

  • Il s’agit d’un dérivé de l’acide oléique, de formule brute C18H34O2\text{C}{18}\text{H}{34}\text{O}_2 un des principaux constituants de l’huile d’olive. La mention 11- indique une charge négative.

physique chimie première réforme solubilité extraction solvant 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.

  • Cette partie de la molécule peut cependant se lier à d’autres molécules apolaires par interaction de van der Waals.
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Définition

Hydrophilie, lipophilie et amphiphilie :

  • Une espèce chimique est dite hydrophile si elle est soluble dans l’eau ou miscible avec l’eau.
  • Une espèce chimique est dite lipophile si elle est soluble dans la graisse, qui est apolaire.
  • Une espèce amphiphile peut être solvatée par l’eau et par des solvants apolaires.
    En général, les parties d’une molécule amphiphile susceptibles d’interagir avec l’eau ou un solvant apolaire sont distinctes.
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À retenir

  • Les espèces chargées et polaires sont hydrophiles.
  • Les molécules neutres et apolaires sont lipophiles.

Applications des propriétés des solvants

Procédure d’extraction liquide-liquide

Considérons la molécule de caféine ci-dessous, de formule brute C8H10N4O2\text{C}8 \text{H}{10}\text{N}4 \text{O}2. Les atomes d’azote sont indiqués en bleu.

physique chimie première réforme solubilité extraction solvant caféine 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.

  • Le procédé est celui d’une extraction liquide-liquide.
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Définition

Extraction liquide-liquide :

L’extraction liquide-liquide est fondé 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.

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À retenir

Le procédé d’extraction comporte plusieurs étapes.

  • Dissoudre dans le solvant n° 1 le mélange contenant la molécule à extraire.
  • Ajouter le solvant n° 2.
  • Bien agiter pour forcer la formation de liaisons entre le solvant n° 2 et la molécule à extraire.
  • Laisser reposer pour que se séparent les deux phases.
  • Prélever la phase constituée du solvant n° 2.
  • Purifier cette phase, par exemple en faisant évaporer le solvant.

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 CO2\text{CO}_2 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.

  • La tension superficielle est la force s’exerçant entre les molécules d’eau à la surface d’une goutte d’eau, par exemple.
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Exemple

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.

physique chimie première réforme solubilité extraction solvant tensioactif Bulle de savon

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À retenir

Il existe plusieurs types de tensioactifs :

  • les tensioactifs anioniques, comme l’oléate, étudié plus haut, portent une charge négative et entrent par exemple dans la composition des savons ;
  • les tensioactifs cationiques portent une charge positive et sont utilisés, par exemple, dans les adoucissants ;
  • les tensioactifs non ioniques ne portent pas de charge électrique, mais des doublets d’électrons non liants leur permettant de former des liaisons hydrogène.

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.

  • L’action du savon et des produits nettoyants est de dissoudre les graisses dans l’eau de lavage.

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 ».

  • La phase grasse (apolaire), sous forme de gouttelettes entourées de molécules tensioactives, est dissoute dans la phase aqueuse.
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Définition

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.

  • Une micelle est une goutte entourée de molécules amphiphiles, en suspension dans une phase où le contenu de la gouttelette ne peut pas être dissous.
  • Dans une suspension « huile dans eau », la phase grasse (ou apolaire) constitue les micelles.

physique chimie première réforme solubilité extraction solvant tensioactif

  • Dans une suspension « eau dans huile », c’est la phase aqueuse (polaire) qui constitue les micelles.

physique chimie première réforme solubilité extraction solvant tensioactif

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.