Distillation fractionnée d'un mélange de deux liquides organiques miscibles.

[souli18]

Bonjour, j'ai un TP mardi prochain et ayant du mal en chimie organique, j'aimerais vraiment le comprendre avant.

Le but de cette manipulation est d’aborder la séparation de liquides miscibles ou partiellement miscibles grâce à deux techniques clés de la chimie organique: l’extraction liquide-liquide et la distillation.
Ainsi, un isomère du butanol ( structure à déterminer) sera extrait d’un mélange eau-alcool par extraction au pentane. Cet isomère du butanol est soluble ou partiellement soluble dans l’eau et complètement soluble dans le pentane.
Par la suite, le mélange homogène alcool-pentane ainsi obtenu sera tout d’abord séché pour retirer le maximum d’eau, puis séparé par distillation fractionnée à pression atmosphérique.

TESTS PRÉALABLES

La solubilité de deux isomères du butanol ( 2-méthylpropan-1-ol aussi nommé sec-butanol, et le tert-butanol) dans l’eau et dans le pentane va être préalablement être étudiée. L’influence de l’ajout de Nacl sera également démontrée.

J’ai compris ici que l’un des deux isomères sera plus soluble dans le pentane. L’isomère qui sera alors le plus soluble dans le pentane sera l’isomère à extraire?
Le solvant extracteur étant le pentane, et l’isomère étant plus soluble dans le pentane que dans l’eau.
Je sais que l’ajout de Nacl va permettre de faciliter l’extraction de l’alcool , mais comment?

Extraction de l’alcool

- Verser le mélange eau + alcool dans une ampoule à décanter ( 250ml), rajouter 10mL de pentane
- Ajouter à ce mélange une spatule de NaCl solide. Agiter pour dissoudre le sel puis laisser décanter les phases phases et recueillir la phase aqueuse dans un bécher (100mL) et la phase organique dans un erlenmeyer (250mL). La conserver.
-Extraire la phase aqueuse avec 2*10 ml de pentane.
-Sécher les phases organiques réunies sur MgSO4 (agiter pendant 5 min) puis filtrer sur coton dans un ballon rodé de 100ml.

Ici j’ai compris que la phase organique recueillie sera constitué d’alcool et le pentane. Est ce bien cela?
Quand le protocole dit d’extraire la phase aqueuse avec 2*10ml de pentane, c’est parce qu’il y a peut être encore un peu de produit d'intérêt qu’on extrait avec le pentane pour avoir une phase aqueuse plus ou moins pur?


Distillation fractionnée à pression atmosphérique

Le but de la distillation fractionnée est de séparer les différents constituants d'un mélange de liquides miscibles.
Dans cette étape, on va donc séparer l’alcool du pentane?

Je vous remercie par avance pour le temps que vous consacrerez à me répondre.
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[RomVi]

Bonjour

La 1ere partie consiste à comparer les solubilités des 2 isomères mais, tel que je le comprend, l'extraction et la distillation ne concerne que l'un 2 qu'il faudra identifier (par comparaison avec la solubilité mesurée initialement).
Le sel permet en quelque sorte d'augmenter la polarité de l'eau. Les isomères de butanol étant semi-polaire leur solubilité est donc diminuée au profit d'un composé apolaire (pentane).
Il faut faire plusieurs extractions, car il s'agit d'un équilibre, on va par exemple avoir 80% du composé à extraire qui passera dans le pentane, et 20% qui reste dans l'eau. La fois suivante on va extraire 80% de ces 20% restant.
Lors de la distillation on va effectivement séparer le pentane (plus léger) de l'alcool.

[souli18]

Bonjour, Merci de m'avoir répondu
Les alcools sont constitués de molécules polaires (OH) et sont alors susceptibles d’établir des liaisons H. Donc ils sont plus soluble dans l’eau qui est un solvant polaire que dans le pentane (solvant apolaire).
Je ne vois pas comment la solubilité de l’alcool sera diminuée dans l’eau à l’aide du sel pour aller dans le pentane.

[RomVi]

En réalité les molécules ne sont pas soit polaires soit apolaires, mais elles se placent sur une échelle. Les alcools sont susceptibles de former une liaison hydrogène par leur groupement OH, mais la chaîne carbonée qui s'y rattache produit un effet contraire, principalement pour une raison d'encombrement. Plus la chaîne est grande et moins la molécule est polaire, ainsi le méthanol, l'éthanol et le propanol sont miscibles en toute proportion dans l'eau. On commence à observer une décantation à partir du butanol

Il faut comprendre que la miscibilité est en réalité le résultat de 3 effets combinés :
- La force des liaisons entre les 2 solvants
- La force des liaisons entre les molécules du solvant 1
- La force de liaison entre les molécules du solvant 2.

En ajoutant du sel on augmente la force des liaisons entre les molécules d'eau, et en conséquence on les réduit entre l'eau et l'autre solvant, ainsi le mélange eau-propanol commencera à décanter si on utilise de l'eau salée, même si il restera beaucoup de propanol dans l'eau et vice versa.

[A voir en vidéo sur Futura]

[souli18]

D'accord, si j'ai bien compris au début on a initialement de l'eau+alcool(1 des 2 isomères à identifier) , quand on met l'eau+alcool+pentane, l'alcool reste dans l'eau. Mais quand on met le sel NaCl, cela va réduire la force des liaisons entre l'eau et le pentane et augmente la force de liaison entre les molécules d'eau favorisant ainsi la "migration" de l'alcool dans le pentane?
L'alcool se retrouvera ainsi dans le pentane. Mais comment l'alcool peut se retrouver dans un solvant apolaire? NaCl a de l'effet que sur la force des liaisons entre les molécules d'eau?

Et aussi, comment peut on savoir à partir des solubilités quel isomère des deux sera extrait ?
L'isomère à extraire devra être plus soluble dans le pentane que dans l'eau ?

[RomVi]

En présence de 2 composés non miscibles l’isomère, qui a une polarité intermédiaire, va se distribuer entre l'eau et le pentane. L'extraction pourrait fonctionner sans sel, mais la concentration d’isomère dans le pentane augmente si on en ajoute, donc l'extraction est plus efficace. L'affinité de l’isomère pour l'eau diminue quand celle entre les molécules d'eau augmente.

[Kemiste]

C'est un peu plus compliqué que ça. Quand il y a l'eau et le pentane une proportion de l'alcool sera dans une phase et le reste dans l'autre. Attention, il n'y a pas d'interactions entre l'eau et le pentane. On peut considérer que ces solvants ne sont pas miscibles. Quand on va ajouter du sel dans l'eau, les molécules d'eau vont venir solvater chaque ion du sel et ne seront plus disponibles pour l'alcool. La totalité de l'alcool va donc passer dans la phase organique.

Comme il a été dit, ce n'est pas noir ou blanc. La polarité permet d'expliquer des tendances. Le caractère polaire d'un alcool peut être compensé par le caractère apolaire de la chaîne carbonée. Ceci explique qu'un alcool peut-être non miscible avec l'eau et être miscible avec du pentane.

[souli18]

D'accord, je pense avoir compris.
Les deux solvants (eau et pentane) étant non miscibles, et qu'il y a une proportion d'isomère du butanol à identifier dans l'eau et le reste dans le pentane. A quoi cela sert de faire de faire des tests de solubilité de chaque isomère dans l'eau et dans le pentane?
Enfin je veux dire que c'est pour identifier quel isomère de butane extraire mais l'isomère étant semi polaire, comment sauras t'on quel isomère extraire à l'aide de ces tests de solubilité?

[Kemiste]

Les deux solvants (eau et pentane) étant non miscibles, et qu'il y a une proportion d'isomère du butanol à identifier dans l'eau et le reste dans le pentane.

Je me suis peut-être mal exprimé, ce n'est pas ce que je voulais dire. Au début il y a une proportion dans chaque phase. Ensuite quand on agite, sépare les phases, rajoute du pentane... On épuise peu à peu la phase aqueuse. Ça va encore plus vite si l'eau est saturée en sel. Il n'y a "plus de place" pour l'alcool donc ça facilite le passage vers la phase organique.

A quoi cela sert de faire de faire des tests de solubilité de chaque isomère dans l'eau et dans le pentane?

A ce que j'ai compris du TP, tu auras un isomère à identifier qui sera soit le sec-butanol soit le tert-butanol. Tu n'auras pas les deux en même temps. Comme tu ne sais pas lequel tu auras, tu testeras la solubilité des deux isomères. Tu verras peut-être qu'ils ont le même comportement ou qu'un seul sera partiellement miscibles avec l'eau et totalement avec le pentane.

Enfin je veux dire que c'est pour identifier quel isomère de butane extraire mais l'isomère étant semi polaire, comment sauras t'on quel isomère extraire à l'aide de ces tests de solubilité?

"Semi-polaire" ça n'existe pas vraiment. On parle de molécules polaires et apolaires mais il y a des nuances. Une molécule polaire peut l'être moins qu'une autre mais est toujours qualifiée de polaire. Pour les tests de solubilité voir ma phrase précédente. Je pense que l'identification se fera selon d'autres techniques. Selon la quantité d'alcool, il se peut que les deux soient miscibles avec l'eau si on est en dessous de la concentration au delà de laquelle ils ne sont plus miscibles.

[souli18]

"Au début il y a une proportion dans chaque phase."
ici quand vous dites dans chaque phase, c'est bien dans l'eau et dans le pentane?

"Ensuite quand on agite, sépare les phases, rajoute du pentane".
Quand on ajoute du NaCl solide dans le mélange eau+alcool+pentane, on va avoir une séparation de l'eau et du pentane mais aussi l'alcool se retrouvera en grande proportion dans le pentane car les molécules d'eau ayant solvaté avec Na+ et Cl- ne pourront plus faire de liaisons hydrogènes avec l'alcool? et du coup " Il n'y a "plus de place" pour l'alcool donc ça facilite le passage vers la phase organique".Le caractère apolaire de la chaine carbonée de l'alcool fait qu'il est miscible avec le pentane, c'est pour cela qu'il peut "migrer" du solvant initial (eau) au pentane ( solvant apolaire)?

Je suis désolée pour toutes ces questions répétitives, j'ai du mal à comprendre vite.

[Kemiste]

"Au début il y a une proportion dans chaque phase."
ici quand vous dites dans chaque phase, c'est bien dans l'eau et dans le pentane?

oui

"Ensuite quand on agite, sépare les phases, rajoute du pentane".
Quand on ajoute du NaCl solide dans le mélange eau+alcool+pentane, on va avoir une séparation de l'eau et du pentane

Non. L'eau et le pentane ne sont pas miscibles. Dès le début il y a deux phases. L'alcool est partagé entre ces deux phases.

mais aussi l'alcool se retrouvera en grande proportion dans le pentane car les molécules d'eau ayant solvaté avec Na+ et Cl- ne pourront plus faire de liaisons hydrogènes avec l'alcool? et du coup " Il n'y a "plus de place" pour l'alcool donc ça facilite le passage vers la phase organique".Le caractère apolaire de la chaine carbonée de l'alcool fait qu'il est miscible avec le pentane, c'est pour cela qu'il peut "migrer" du solvant initial (eau) au pentane ( solvant apolaire)?

Globalement oui.

[souli18]

D'accord c'est compris!
Merci beaucoup

[RomVi]

Attention, ici encore c'est à nuancer, ce n'est pas en ajoutant du sel que l'on va totalement chasser l'alcool de l'eau, sans quoi il ne serait pas utile de faire 3 extractions.On ne fait que déplacer un peu l'équilibre. Le sel ne prend en aucun cas la place de l'alcool, c'est un peu plus compliqué que ça.