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. Les opérations de séparation sont fréquentes en chimie. Séparer sous-entend de placer dans des endroits différents, des entités initialement mélangées. Par conséquent, toute action de séparation nécessite de modifier la composition du mélange initial. A quelle condition la vaporisation permet-elle de modifier la composition de la phase liquide? Qu est-ce qu une distillation? En vue de séparer des constituants initialement au sein d un même liquide, la distillation peut prendre trois formes : Distillation simple Distillation fractionnée Distillation hétéroazéotropique Problématiques : Pourquoi la distillation fractionnée permet-elle généralement de séparer des composés miscibles à l état liquide? Quand ne le permet-elle pas? Pourquoi créer un mélange de liquides non miscibles peut-il permettre de séparer des composés miscibles? -1-

2 1. Méthodes de distillation NON hétéroazéotropiques 1.1. Distillation simple - Schéma du montage : Pourquoi qualifie-t-on cette distillation de «simple»? - Composition du distillat : Soit le diagramme de phases relatif au changement d état liquide-vapeur d un mélange de deux constituants A1 et A2, totalement miscibles à l état liquide. T P = cste Quel est le constituant (A1 ou A2) le plus volatil? x2 Par construction graphique, montrer que le distillat est enrichi, par rapport au liquide initial, en constituant le plus volatil. -2-

3 La distillation simple permet-elle de séparer deux constituants miscibles à l état liquide? Citer deux situations où cette technique est utilisée Distillation fractionnée - Schéma du montage : Distillation fractionnée sous pression atmosphérique Quelle est la différence majeure avec la distillation simple? Quel est le sens du gradient de température? Pourquoi est-ce une amélioration par rapport à la distillation simple? -3-

4 - Composition du distillat : Soit le diagramme de phases relatif au changement d état liquide-vapeur d un mélange de deux constituants A1 et A2, totalement miscibles à l état liquide. A1 plus volatil que A2 Par construction graphique, déterminer la composition du distillat. T P = cste x2 Au cours de la distillation fractionnée, comment évolue la composition du liquide contenu dans le ballon? Que peut-on en déduire concernant le suivi de la température en tête de colonne? T P = cste x2-4-

5 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 : Pourquoi est-il difficile de séparer des composés à forte température d ébullition par distillation fractionnée? Pourquoi le montage de «distillation fractionnée sous pression réduite» est une solution à ce problème? Dans quelle autre opération de distillation au laboratoire utilise-t-on une pression réduite? Pourquoi? -5-

6 1.3. Distillation fractionnée d un mélange avec homoazéotropie Dans les deux situations suivantes, déterminer graphiquement la composition du distillat : Mélange octane/acide éthanoïque (x : fraction molaire octane) Mélange acide éthanoïque/propane-1,2-diol (x : fraction acide éthanoïque) La présence d un homoazéotrope sur le diagramme binaire permet-elle une séparation complète des constituants? 1.4. 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. -6-

7 - Distillation fractionnée du pétrole : Distillation du pétrole brut : Colonne à distiller industrielle : -7-

8 2. Méthodes de distillation hétéroazéotropiques Comment séparer deux liquides non miscibles? Le but de la suite du cours n est donc pas de séparer des composés non miscibles, mais de séparer des composés miscibles en utilisant une distillation hétéroazéotropique : Distillation (vaporisation puis liquéfaction) Hétéroazéotropique (il y aura chauffage d un système hétérogène, ici eau + liquide organique). Rappeler les deux points importants concernant le chauffage d un système de deux liquides non miscibles : Température de début d ébullition? Composition de la vapeur produite? 2.1. Hydrodistillation Définition : L hydrodistillation est une distillation simple dans laquelle le bouilleur contient un mélange hétérogène d eau et d un liquide organique. Cas d utilisation : La technique est utilisée dans les cas où la distillation fractionnée ne parvient pas à séparer 2 composés miscibles à l état liquide : Soit parce que leurs températures d ébullition sont trop proches ; Soit parce qu elles sont trop élevées (risque de dégradation du composé en chauffant fort). bouilleur : liquide à extraire + eau eau Liquéfaction du mélange hétéroazéotropique Distillat diphasé : eau et composé organique Application industrielle : 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). -8-

9 Remarque : L application de la distillation hétéroazéotropique au montage de Dean Stark a déjà été vue au chapitre précédent Entraînement à la vapeur - Définition : L entraînement à la vapeur est une distillation simple dans laquelle le bouilleur contient un mélange hétérogène d eau et d un liquide organique, l eau étant introduite sous forme vapeur. - Cas d utilisation : La technique est utilisée dans les cas de composés fragiles et/ou sensibles à l hydrolyse (destruction par l eau). - Fonctionnement : L ébullition, qui débute à une température à TH (avec TH < Teb(eau) et Teb(orga)) est induite par l introduction de vapeur d eau chaude, ce qui évite un chauffage trop fort qui pourrait dégrader le composé à extraire. Liquéfaction de l hétéroazéotrope générateur de vapeur d eau bouilleur : liquide à extraire chauffage léger (éventuel) eau distillat diphasé : eau et composé orga non miscibles -9-

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