Partie 1. Changements d état isobares de mélanges binaires 1.7. Utilisations des changements d état liquide-vapeur au laboratoire

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1 Mélanges et transformations Partie 1. Changements d état isobares de mélanges binaires 1.7. Utilisations des changements d état liquide-vapeur au laboratoire Objectifs du chapitre Notions à connaître : Distillation simple Distillation fractionnée Distillation hétéroazéotropique Capacités exigibles : Interpréter une distillation simple, une distillation fractionnée, une distillation hétéroazéotropique à l aide des diagrammes isobares d équilibre liquide-vapeur. Distillation : Technique visant à séparer les constituants d un mélange liquide par vaporisation, puis liquéfaction de la vapeur produite. La séparation est possible dès lors que la vapeur produite n a pas la même composition que le mélange liquide utilisé. 1. Séparer deux constituants miscibles à l état liquide Quand les constituants sont miscibles à l état liquide (mélange liquide homogène), la distillation peut prendre deux formes : la distillation et la distillation fractionnée Distillation simple -1-

2 - Utilisation du diagramme binaire isobare : Soient deux constituants A1 et A2, totalement miscibles à l état liquide. On suppose A1 plus volatil que A2 (Téb,2 > Téb,1) : T P = cste x2 Distillation simple : Avantage : Rapide Inconvénient : Séparation incomplète Quand l utiliser? o Alambic : permet d enrichir un mélange eau-éthanol en éthanol (plus volatil que l eau) afin de produire des alcools ayant un degré alcoolique plus élevé. o Evaporateur rotatif : élimination rapide de grandes quantités de solvant, mais purification ultérieure encore nécessaire Distillation fractionnée Distillation fractionnée sous pression atmosphérique -2-

3 - Utilisation du diagramme binaire isobare : Soient deux constituants A1 et A2, totalement miscibles à l état liquide. On suppose ici aussi A1 plus volatil que A2 Différence avec distillation simple = Ajout d une colonne de distillation qui crée un gradient de température : La température est plus élevée en bas de colonne (près de la source de chaleur) et diminue en montant dans la colonne. Conséquence de l introduction de la colonne de distillation : pendant l ascension dans la colonne, la composition de la vapeur évolue jusqu à sa liquéfaction en tête de colonne. T P = cste x2 T P = cste x2-3-

4 - Comment suivre le déroulement de la distillation fractionnée? Réalisation de la distillation fractionnée Distillation fractionnée : Intérêt : Séparation possible de deux liquides miscibles o Distillat : Composé le plus volatil o Résidu : Composé le moins volatil Limites : La qualité de séparation dépend de la colonne. Au laboratoire de chimie, les colonnes arrivent à séparer les constituants si leurs températures d ébullition diffèrent d au moins 25 C. Exemples d utilisation : o Purification d un produit liquide à la fin d une synthèse o Déplacement d un équilibre chimique en éliminant du milieu par distillation le produit formé le plus volatil (cela suppose la miscibilité à l état liquide). - Cas des composés à forte température d ébullition : Distiller des composés peu volatils (températures d ébullition élevées) nécessite un chauffage très poussé. Par ailleurs, il est souvent nécessaire de calorifuger la colonne de distillation pour limiter le refroidissement lors de l ascension. Le problème est qu un chauffage poussé risque de dégrader du composé. Pour abaisser les températures d ébullition, on travaille donc sous pression réduite : le montage est relié à une pompe. Le problème est qu opérant ainsi, on diminue également les écarts entre températures d ébullition des composés. La séparation peut donc parfois s avérer moins efficiente. Distillation fractionnée sous pression réduite -4-

5 1.3. Distillation fractionnée d un mélange à azéotrope Selon l allure du diagramme binaire, le distillat n a pas la même composition. Distillation fractionnée d un mélange dont le diagramme binaire présente un homoazéotrope : Séparation incomplète car le distillat ou le résidu de distillation correspond au mélange azéotropique (qui est un mélange des deux constituants) Distillation fractionnée dans l industrie - Distillation fractionnée dans l industrie : Les segments horizontaux tracés sur le diagramme pour comprendre le fonctionnement de la distillation fractionnée sont appelés plateaux théoriques de la colonne à distiller. Si on veut séparer totalement les deux composés, le nombre de plateaux réel que comporte la colonne doit être égal au nombre de plateaux théoriques qui apparaissent sur le diagramme binaire. Les industriels ont des colonnes constituées de plateaux maintenus à des températures différentes sur lesquels s établissent des équilibres liquide-vapeur. Par un système de trop-plein, le liquide redescend vers le fond. La colonne industrielle présente un gradient de température vers le haut, tout comme la colonne de Vigreux utilisée au laboratoire. -5-

6 - Distillation fractionnée du pétrole : Distillation du pétrole brut : Colonne à distiller industrielle : -6-

7 2. Distillation hétéroazéotropique Comment séparer deux liquides non miscibles en quantité suffisante pour que deux phases distinctes soient observées? En faisant bouillir un mélange de deux liquides non miscibles, on forme une vapeur dont la composition est celle du mélange hétéroazéotropique. Les techniques mettant en jeu l ébullition d un mélange de deux liquides non miscibles sont donc appelées distillation hétéroazéotropique. La distillation hétéroazéotropique est utile, non pour séparer les deux phases non miscibles, mais pour : o Extraire un composé d un mélange o Déplacer un équilibre chimique en éliminant un composé du milieu Hydrodistillation Intérêt : Quand la distillation fractionnée ne parvient pas à séparer deux liquides miscibles Dans certains cas, la technique de distillation fractionnée ne permet pas de séparer convenablement les constituants d un mélange liquide à miscibilité totale : Soit parce que les températures d ébullition des deux composés sont trop proches ; Soit parce qu elles sont trop élevées (risque de dégradation du composé en chauffant fort). Principe : On ajoute volontairement un liquide non miscible au mélange à séparer (de l eau quand on veut séparer deux liquides organiques miscibles) de façon à obtenir un binaire liquide/vapeur à miscibilité nulle entre le constituant à isoler et l eau. Montage : Un montage de distillation simple est utilisé et de l eau est introduite dans le bouilleur contenant déjà le mélange de composés miscibles à séparer. La technique est très utilisée en parfumerie pour obtenir des huiles essentielles : on place alors dans le bouilleur de l eau et le végétal dont on souhaite extraire l huile (par exemple, des peaux d orange). réfrigérant droit : liquéfaction du mélange hétéroazéotropique bouilleur : liquide à extraire + eau eau distillat : eau et composé organique non miscibles -7-

8 Remarque : L application de la distillation hétéroazéotropique au montage de Dean Stark a déjà été vue au chapitre précédent. -8-

9 2.2. Entraînement à la vapeur - Dans le cas de composés extrêmement fragiles, on peut procéder à un entraînement à la vapeur ; le principe est rigoureusement identique à celui de l hydrodistillation, mais au lieu de rajouter de l eau liquide au mélange des composés organiques à séparer, on injecte de la vapeur d eau chaude dans le mélange. Le mélange bout à une température inférieure aux températures d ébullition des corps purs (eau y compris) : la température de la vapeur d eau est donc généralement suffisante pour faire bouillir le mélange et former une vapeur constituée du mélange hétéroazéotropique. - Montage : réfrigérant droit : liquéfaction de l hétéroazéotrope générateur de vapeur d eau bouilleur : liquide à extraire eau chauffage léger (éventuel) distillat : eau et composé orga non miscibles -9-