La distillation. La distillation simple. Le principe de la distillation. La distillation fractionnée

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1 Chimie et développement durable Partie 3 / Synthèses chimiques Activité expérimentale La distillation Le principe de la distillation La distillation est une technique de séparation importante utilisée à chaque fois que les constituants à séparer peuvent être transformés en composés volatils. La technique de distillation est basée sur le principe élémentaire qui dit que dans un mélange, «c'est le composé le plus volatil qui s'évapore en premier». Ainsi Lorsqu on fait bouillir un mélange de liquides, ils n entrent pas tous en ébullition en même temps mais les uns à la suite des autres, en commençant par le plus volatil, c'est-à-dire celui dont la température d ébullition est la plus basse. Les changements d état se faisant à température constante, le mélange va garder la température d ébullition du liquide le plus volatil tant que celui-ci ne sera pas entièrement transformé en vapeur Elle se résume en deux actions : Chauffer un liquide impur ou un mélange de liquides pour les transformer en vapeurs par ébullition. Condenser ensuite les vapeurs par refroidissement et isoler les liquides purs. La distillation simple La méthode est surtout appliquée à la purification des solvants volatils ou des composés ayant des températures d'ébullition très différentes. Le distillat obtenu après condensation des vapeurs est un mélange plus riche en composé le plus volatil mais qui demeure un mélange. Pour améliorer la pureté du distillat en composé le plus volatil il faudrait recueillir le distillat et répéter la distillation simple un grand nombre de fois. On utilise également cette méthode, de distillation lorsque la solution résulte de la dissolution d'un solide (soluté) dans un solvant (le plus souvent l'eau) Au cours du chauffage, seul le solvant s'évapore : en refroidissant les vapeurs on recueille le solvant pur. La distillation fractionnée Elle met en œuvre une colonne de Vigreux dont l'intérieur est hérissé de piques, orientées vers le bas, et dont la température décroit vers le haut de la colonne. Elles permettent des condensations successives des vapeurs. Les vapeurs qui proviennent du mélange en ébullition se condensent sur les piques de la colonne et forment des gouttes. Les gouttes sont elles-mêmes chauffées par les vapeurs ascendantes et se vaporisent à nouveau. Au sein de la colonne se produit une succession de cycles de vaporisation-condensation. Les vapeurs n'ont pas la même composition : plus elles sont hautes dans la colonne, plus elles sont concentrées en composé le plus volatil. Si la longueur de la colonne est suffisante, les vapeurs situées au sommet sont pratiquement pures en composé le plus volatil. Les changements d état des corps purs se font à température constante ; donc au sommet de la colonne, les vapeurs gardent la température d ébullition du liquide le plus volatil tant le mélange en ébullition en renferme. Tant que le même constituant s échappe par le réfrigérant, la température indiquée par le thermomètre placé en tête de colonne reste constante. Lorsque la température s élève à nouveau, un autre constituant ayant une température d ébullition plus élevée commence à s échapper à son tour du dispositif. Le thermomètre indique la température d ébullition de l espèce chimique qui est en train de se vaporiser.

2 Densité d un mélange eau-éthanol en fonction du pourcentage volumique en éthanol Corps pur Température d ébullition à la pression atmosphérique Masse volumique Densité Masse molaire Acétone 56 C ρ = 0,791 g.ml -1 d = 0,791 M = 58,0 g.mol -1 Ethanol 78 C ρ = 0,789 g.ml -1 d = 0,789 M = 46,0 g.mol -1 Eau 100 C ρ = 1,000 g.ml -1 d = 1,000 M = 18,0 g.mol -1 La moitié de la classe utilisera le montage de distillation simple et l autre groupe le montage de distillation fractionnée Compléter le schéma donné du montage de distillation Principe de la distillation simple Objectif : On désire étudier le principe de la distillation simple à travers la distillation d une solution de sulfate de cuivre - Dans un tube à essai contenant une solution de sulfate de cuivre (Cu 2+ ; SO 4 2- ), verser quelques gouttes d une solution d hydroxyde de sodium (Na +, OH - ) Qu observe-t-on? Ecrire l équation de la formation du précipité ; donner le nom du précipité - Dans un tube à essai contenant une solution de sulfate de cuivre (Cu 2+ ; SO 4 2- ), verser quelques gouttes d une solution de chlorure de baryum (Ba 2+, 2 Cl - ) Qu observe-t-on? Ecrire l équation de la formation du précipité ; donner le nom du précipité

3 - Après avoir réalisé le montage de distillation simple, introduire dans le ballon une solution de sulfate de cuivre et des grains de pierre ponce. - Alimenter le réfrigérant. - Chauffer en réglant le thermostat au maximum; dès que les premières gouttes de distillat tombent, baisser de moitié le thermostat afin qu'il ne tombe que 1 à 2 gouttes par seconde. Comparer la couleur du distillat à la couleur de la solution introduite dans le ballon. Vérifier expérimentalement la présence ou l absence des ions cuivre et sulfate dans le distillat. Principe de la distillation fractionnée Objectif : On désire étudier le principe de la distillation fractionnée à travers la distillation d un mélange acétone-eau - Dans un tube à essai contenant de la D.N.P.H. (solution de dinitro-phényl-hydrazine) introduire de la propanone (couramment appelée acétone) Qu observe-t-on? Lors de la distillation du mélange, il faudra suivre régulièrement l évolution de la température au cours du temps. Relever la température toutes les minutes jusqu à ébullition, puis toutes les 30 s. - Après avoir réalisé le montage de distillation fractionnée, introduire dans le ballon un mélange contenant 30 ml d'eau et 30 ml d'acétone et des grains de pierre ponce. - Chauffer doucement et observer l'ascension de la limite liquide-vapeur dans la colonne. Quand cette zone atteint le réservoir du thermomètre ralentir le chauffage et observer le thermomètre. - L'écoulement du distillat doit se faire au rythme décrit précédemment (1 à 2 gouttes par seconde). Continuer à observer le thermomètre. Remarquer que dans la colonne, il existe un double mouvement de fluides : la vapeur monte et du liquide redescend : c'est un reflux. - Quand la température indiquée varie, changer le récipient permettant de recueillir le distillat et chauffer plus fort afin de recueillir cette seconde fraction de distillat. - Arrêter le chauffage avant que la solution introduite dans le ballon soit totalement évaporé. Sur chacun des 2 échantillons de distillat, faire le test à la D.N.P.H : introduire 1 ml de D.N.P.H. dans un tube à essais et ajouter quelques gouttes de l'échantillon à tester. Qu observe-t-on et que peut-on en conclure?

4 Distillation du vin blanc Objectif : On désire obtenir de l éthanol en réalisant la distillation d un vin blanc ; on réalisera les deux techniques de distillation (simple et fractionnée) afin d étudier leur efficacité dans la séparation de l éthanol. - Numéroter les 2 petites éprouvettes puis les peser. Relever précisément les masses m 1 et m 2 des éprouvettes - Après avoir réalisé le montage de distillation (simple ou fractionnée), introduire dans le ballon environ 100 ml de vin et des grains de pierre ponce. - Alimenter le réfrigérant. - Chauffer en réglant le thermostat au maximum; dès que les premières gouttes de distillat tombent, baisser de moitié le thermostat afin qu'il ne tombe que 1 à 2 gouttes par seconde. - Recueillir environ V 1 5 ml du distillat, dans la première éprouvette graduée. - Changer d éprouvette, puis recueillir environ V 2 5 ml du distillat, dans la 2 nde éprouvette. A partir des mesures expérimentales, calculer la masse des deux distillats, puis en déduire leur masse volumique. Utiliser la courbe d étalonnage donnée ci-dessus, pour déterminer le pourcentage volumique en éthanol des distillats, et celui du vin. Lire l étiquette de la bouteille de vin et comparer avec la valeur affichée. Rappel : le degré alcoolique d une boisson est le pourcentage volumique d éthanol pur qu elle contient. Comparer l efficacité des 2 techniques de distillation dans la séparation de l éthanol du vin blanc. Les diagrammes binaires

5 Températures d ébullition de mélanges et composition des vapeurs Soit un mélange de deux liquides A et B complètement miscibles et ayant des températures d ébullition notées T A et T B (telles que T A < T B ) Ex1 : mélange acétone (A) - eau (B) T A (acétone) = 56 C et T B (eau) = 100 C Ex2 : mélange éthanol (A) - eau (B) T A (éthanol) = 78 C et T B (eau) = 100 C À pression constante, la température d ébullition du mélange (A + B) dépend des proportions respectives des liquides A et B dans le mélange. La composition des vapeurs qui se forment lors de l ébullition du mélange dépend également des proportions respectives des liquides A et B dans le mélange. Afin de connaitre les températures d ébullition des mélanges et la composition des vapeurs, on dispose d une figure formée par un fuseau de 2 courbes, appelée «diagramme binaire». La courbe inférieure (appelée courbe d ébullition) donne la température d ébullition du mélange en fonction de sa composition. La courbe supérieure (appelée courbe de rosée) donne la température des vapeurs en fonction de leur composition. - Sous la courbe d ébullition, le mélange est liquide. - Au dessus de la courbe de rosée, le mélange est gazeux. - Entre les deux courbes, le mélange est hétérogène et comporte à la fois les phases liquide et gazeuse. La température d ébullition d un mélange contenant 10 % en volume d acétone (10 ml d acétone + 90 ml d eau) est de 80 C ; les vapeurs qui se forment alors (à 80 C) sont constituées de 79% d acétone. Après condensation de ces vapeurs, on aura un distillat contenant également 79% d acétone. Recopier puis compléter les tableaux suivants donnant les températures d ébullition de différents mélanges ainsi que la composition des vapeurs Volumes des liquides A Température % volumique Composition des vapeurs ou et B d ébullition du en acétone du distillat Acétone (A) Eau (B) mélange Mélange 1 10 ml 90 ml 10 % 80 C 79 % d acétone Mélange 2 15 ml 45 ml Mélange 3 30 ml 30 ml

6 Volumes des liquides A et B Ethanol (A) Eau (B) Mélange 1 15 ml 85 ml % volumique en éthanol Température d ébullition du mélange Composition des vapeurs ou du distillat Mélange 2 30 ml 90 ml Mélange 3 40 ml 40 ml Comparer la proportion du composé A dans la phase liquide et dans la phase vapeur. Que constatet-on? Pouvait-on prévoir cette observation? La distillation simple Le premier distillat est donc enrichi en composé A. Par voie de conséquence, le bouilleur (mélange contenu dans le ballon) s est appauvrit en composé A et enrichit en B. Le mélange à donc une nouvelle composition et sa température d ébullition va augmenter, puis produire une nouvelle vapeur de proportion en A plus faible que précédemment. Le processus se poursuit ainsi jusqu à épuisement de A après quoi B distille éventuellement seul. On peut visualiser ce cheminement sur le diagramme de phase : au fur et à mesure que le mélange distille, on se déplace sur le diagramme vers des températures d ébullition supérieures et une proportion de A de plus en plus petite, donc une proportion de B de plus en plus grande. La courbe ci-dessous donne l évolution de la température en tête de colonne en fonction du volume de distillat : - La première fraction du distillat (1) est riche en A. - La seconde fraction du distillat (2) est constituée de A et B - La dernière fraction du distillat(3) est plus riche en B. Remarque : «plus riche en» ne signifie pas «constitué que de» ; Le résultat de cette distillation ne permet donc pas d obtenir les composés A et B purs. On pourrait purifier le distillat obtenu en réalisant une nouvelle distillation sur le distillat ; c est le principe de la distillation fractionnée.

7 La distillation fractionnée L insertion d une colonne de fractionnement (colonne de Vigreux) entre le bouilleur et la tête de distillation permet de réaliser une suite de distillations simples sur un seul montage. C est le principe de la distillation fractionnée. La grande surface offerte par la colonne de fractionnement permet au mélange d être vaporisé et condensé continuellement. Les premières vapeurs formées (plus riches en composé A que le bouilleur) mais contenant également du composé B) se condensent sur les pics de la colonne refroidie par l air extérieur. Il s ensuit la formation d un distillat qui se vaporise grâce à la chaleur apportée par les autres vapeurs montantes. On obtient ainsi de nouvelles vapeurs encore plus riches en composé A. Lors de l ascension dans la colonne, on observe donc la succession d une série de vaporisationcondensation sur les pics qui permet aux vapeurs de s enrichir de plus en plus en composé A. Lorsque la température de la tête de colonne atteint la valeur de la température d ébullition de A, on obtient un distillat pur, constitué du composé A. La température reste constante à T A tant que A distille puis passe rapidement à T B lorsque B distille. L efficacité d une distillation dépend de la hauteur de la colonne, de la composition initiale du mélange et de l écart de température entre les composés. A l aide des diagrammes binaires donnés en annexe : - Montrer que la distillation d un mélange eau-éthanol ne permet pas d obtenir de l éthanol pur à 100 %, c'est-à-dire sans trace d'eau ; on obtient un mélange constitué de 95% en volume d éthanol. La distillation de ce mélange particulier conduit à des vapeurs constituées également de 95% en volumes d éthanol : on ne peut donc plus séparer l eau de l éthanol. Un tel mélange est appelé «mélange azéotrope» - Montrer par contre que la distillation d un mélange eau-acétone permet d obtenir de l acétone pure