TECHNIQUE: Distillation

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1 TECHNIQUE: Distillatio 1 Utilité La distillatio est u procédé permettat la séparatio de différetes substaces liquides à partir d u mélage. Les applicatios usuelles de la distillatio sot : l élimiatio d u produit e cours de réactio chimique ou d u solvat, l isolatio d u composé aturel ou de plusieurs composés, obteus après ue réactio chimique, la purificatio d u composé. 2 1

2 Pricipe La distillatio cosiste à porter le mélage à ébullitio et à recueillir, après ue successio de vaporisatios et de codesatios, ue fractio dite légère appelée le distillat. Celui-ci correspod au produit le plus volatil qui a le poit d ébullitio le plus bas et qui distille e premier. Das le ballo, il reste la fractio dite lourde appelée le résidu. La différece etre les compositios du distillat (vapeur émise) et du liquide e ébullitio est le pricipe exploité pedat la distillatio. Le pricipe des différetes techiques de distillatio fait appel aux lois qui régisset l équilibre liquide - vapeur des corps purs et des mélages. 3 Équilibre liquide-vapeur 1. E vase clos: U liquide efermé e vase clos est toujours e présece de sa vapeur. Il y a u équilibre etre le liquide et la vapeur émise par celui-ci, appelé vapeur saturate P 0. Das le cas d u corps pur, la vapeur saturate P 0 est régie par trois règles : P 0 est costate à ue température doée, P 0 augmete avec la température, P 0 est idépedate de la quatité de liquide efermée das le récipiet. P 0 T o 4 2

3 Équilibre liquide-vapeur 2. E système ouvert: La vapeur s échappe équilibre rompu: P < P 0 évaporatio La vapeur cotiue à diffuser das l atmosphère et l évaporatio se poursuit jusqu à épuisemet du liquide. La vitesse d évaporatio augmete avec la température et par élimiatio des vapeurs émises. 5 Équilibre liquide-vapeur 3. E système ouvert avec chauffage: Quad T, P 0 jusqu à atteidre P imposée E pricipe, P imp = P atm = 760 mmhg Lorsque P 0 = P imp Ébullitio! La T éb. reste costate pedat toute la durée de l ébullitio. Il y a alors formatio de micro-bulles de gaz, d où l itérêt d agiter le liquide. La T ébullitio déped de P imp doc T ( C) déped de P(mmHg). P 0 P imp T T o éb O va pouvoir exploiter ce phéomèe pour dimiuer la T ébullitio d u liquide. 6 3

4 4 7 Équilibre liquide-vapeur 4. Codesatio à l air libre: Quad T, P 0 : le ombre de molécules pouvat rester e phase vapeur das u volume doé dimiue: les molécules élimiés sot codesées à l état liquide. Lorsque P 0 = P imp Codesatio! La température de début de codesatio est appelée poit de rosée. Pour ue même P imp (pressio extérieure), la température du poit de rosée est idetique à la température du poit d ébullitio d u liquide cosidéré. T o P 0 8 Cas d u mélage biaire idéal Mélage liquide formé de deux composats, et avec T o éb et T o éb = fractio molaire de das le liquide Y = fractio molaire de das la vapeur liquide liquide vapeur vapeur Y Y Y Y Y Y Compositio du liquide Compositio de la vapeur

5 Cas d u mélage biaire idéal La pressio au dessus du mélage + liquide P P P P 0 P 0 P 0 P 0 (Si seul, à la même température) Loi de Raoult Loi de Raoult «La pressio de vapeur d'ue solutio idéale est dépedate de la pressio partielle de chaque costituat et de leur fractio molaire respective.» Ce que ça veut dire : la compositio de la vapeur déped de la compositio du liquide ( )et de la volatilité relative de chacu des deux costituats (P 0 ). 9 Cas d u mélage biaire idéal Quelle est la compositio de la vapeur? Y? Y? Y Y vapeur vapeur vapeur P P0 P P0 vapeur Si je cosidère que est le composé le plus volatil : P 0 > P 0 P 0 P 0 > 1 Y P 0 Y = P 0 > La vapeur est plus riche e composé le plus volatil que le liquide lui-même! La distillatio repose sur ce fait! 10 5

6 Diagramme d équilibre liquide-vapeur 11 Distillatio élémetaire La vapeur est plus riche e et le liquide est plus riche e. Poit de rosée -T o éb d u mélage - Compositio de la vapeur émise - Compositio du liquide formé si je codese cette vapeur! 12 6

7 Distillatio fractioée Suite de distillatios élémetaires Suite d évaporatios/codesatios ppareil théorique de distillatio fractioée Équilibre etre la vapeur motate et le liquide redescedat 13 Distillatio fractioée Suite de distillatios élémetaires Suite d évaporatio/codesatio ppareil théorique de distillatio fractioée Équilibre etre la vapeur motate et le liquide redescedat T o e bas/t o e haut de la coloe? Évolutio de la T o éb du mélage das le bouilleur? 14 7

8 Distillatio fractioée La compositio du distillat est foctio de trois facteurs : 1) Le ombre de plateaux Plus le ombre de plateaux est élevé, plus le distillat est riche e. u dessus d ue certaie valeur de (7 ci-dessus à droite), sa compositio est assimilable à pur. 15 Distillatio fractioée La compositio du distillat est foctio de trois facteurs : 2) La forme du fuseau Plus le fuseau est mice (i.e. que T o éb et T o éb sot rapprochés), mois l obtetio de pur est probable. 16 8

9 Distillatio fractioée La compositio du distillat est foctio de trois facteurs : 3) La compositio 1 de départ du mélage liquide Plus la compositio de départ du mélage ( 1 ) est proche de zéro (0 correspod à pur), plus le distillat est riche e. L erichissemet du mélage écessitera doc mois de plateaux. 17 Pouvoir séparateur Plus l écart des températures extrêmes des coloes (etre le iveau 1 : bouilleur et le iveau : tête de coloe) est grad, plus le pouvoir séparateur est grad. Il déped des qualités itrisèques de la coloe (géométrie, remplissage, isolatio thermique) et des coditios expérimetales (température, pressio, taux de reflux, débit de prélèvemet, egorgemet, régulatio du régime de distillatio). Il est importat d éviter les pertes de chaleur etre la coloe et l extérieur: O peut améliorer l isolatio d ue coloe e l etourat d ue gaie calorifique (laie de verre, cordo chauffat, feuille d alumiium, coto). 18 9

10 Types de coloes La coloe Vigreux est la plus utilisée e laboratoire. 19 Egorgemet E tête de coloe, la fractio est répartie etre la codesatio vers le distillat et le reflux vers le bouilleur. Ue coloe est egorgée lorsque le reflux est trop grad. Le liquide e peut plus s écouler e directio du bouilleur. Il y a ue barrière de liquide e ébullitio au iveau de la coloe qui est maiteue par les vapeurs motates. L egorgemet peut être dû à : - u chauffage trop itese, - u taux de reflux trop élevé, - u étraglemet das la géométrie de l appareil, - u défaut de l isolatio thermique

11 Courbe de distillatio Purificatio d u composé: Température e tête de coloe Nombre de moles distillées L évolutio de la température e tête de coloe est u idicateur. Quelle apparece aurait ue courbe de distillatio pour u mélage de 2 produits? 21 Courbe de distillatio Solutio biaire idéale: F1 cotiet pur, F2 cotiet u mélage de et, alors que F3 cotiet pur

12 Qualité de la séparatio Solutio biaire idéale: a: séparatio parfaite b: boe séparatio c: mauvaise séparatio. 23 Cas des azéotropes Il s agit d u mélage biaire o idéal. Pour les mélages d azéotropes, les courbes d ébullitio et de rosée passet par u T o éb miimum ou maximum de température T m où elles se cofodet. La compositio m, appelée compositio azéotropique, a u comportemet, e 24 distillatio, aalogue à celui d u corps pur. 12

13 Cas des azéotropes Quels que soiet la compositio du mélage et le pouvoir séparateur de la coloe, o e peut séparer le mélage. u mieux, o a l u des deux purs, mais pas les deux. Ce phéomèe peut être u icovéiet, mais peut égalemet être u avatage. E effet, das le cas des azéotropes positifs, cela permet de dimiuer le poit d ébullitio du mélage. O peut aisi élimier de l eau (Téb.= 100 C) e additioat du toluèe (Téb.= 110 C) 1/4 v/v. L azéotrope aisi formé a u poit d ébullitio de 85 C. 25 Motage de distillatio 1. Distillatio simple (sas coloe) 26 13

14 Motage de distillatio 2. Distillatio fractioée: Thermomètre Coloe à distiller Réfrigérat Coude ouilleur allo récepteur Mate chauffate ai de glace Plaque agitatrice Chariot élévateur Ne JMIS bracher la mate chauffate directemet au mur!! Toujours utiliser le rhéostat! 27 Motage de distillatio 3. Distillatio sous vide La distillatio sous pressio réduite est utilisée pour : - des composés à haut poit d ébullitio (température supérieure à 150 C), -des composés istables à pressio atmosphérique. U séparateur rotatif de type pis de vache permet de chager le ballo réceptacle pour chaque fractio, sas casser le vide. Pis de vache 28 14

15 Distillatio sous vide Distillatio sous vide : O abaisse P imp T o éb baisse O évite (limite) aisi la dégradatio thermique des produits. Ex: vide trompe à eau (10-15 mmhg) T o éb 760 mmhg = 180 o C T o éb mmhg = 70 o C Coséquece sur T o éb lors de la distillatio d u mélage? p. 40 des otes de cours 29 Kugelrohr Cet appareil («boule-à-boule») permet de distiller de petites quatités de liquide

16 alyses des fractios Pour savoir quad chager de fractio, il est importat de surveiller la température e haut de la coloe. Si le produit distillé est cou, chercher das la littérature sa température d ébullitio. O peut faire des aalyses plus précises du distillat: par CCM, CPV, HPLC, etc. à coditio que ce soit rapide! Veiller à e pas distiller à sec (e pas vider le ballo bouilleur). Il est ormal qu il reste du liquide le log de la coloe. Ce volume de reteue est costat tout au log de la distillatio. Comme pour la recristallisatio, o e peut espérer u redemet parfait pour ue distillatio, à mois que le produit le plus lourd soit ue impureté. 31 Cahier Das votre cahier de laboratoire, idiquez: le type de coloe et sa logueur la température de distillatio des fractios (plage de température?) la ature et la pressio du vide (si distillatio sous vide) les aalyses faites sur les fractios 32 16