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1 PCSI Lycée J.Dautet 2020-2021 Activité Expérimentale 2 Extraction liquide-liq

1 PCSI Lycée J.Dautet 2020-2021 Activité Expérimentale 2 Extraction liquide-liquide : exemple de l’acide benzoïque Présentation générale de la manipulation Le matériel de l’extraction liquide-liquide : l’ampoule à décanter. L’opération d'extraction liquide-liquide est une technique largement utilisée en chimie organique ; industriellement, elle l’est aussi en chimie générale comme en témoigne cet article de L’Actualité Chimique joint à la fin de cet énoncé. Elle intervient en général à la fin d’une synthèse pour traiter un brut réactionnel liquide, c’est à dire un mélange qui contient le produit de la réaction, les produits secondaires, les réactifs en excès et le solvant. 2 Le but est d’isoler le produit d’intérêt en le faisant passer dans une phase organique ou aqueuse. On utilise pour cela une pièce de verrerie particulière : l’ampoule à décanter. L’extraction liquide/liquide est l'une des opérations les plus fréquemment réalisées en laboratoire de chimie organique. L'extraction n’est possible que si les deux liquides ne sont pas miscibles (c'est-à-dire s'ils forment deux phases distinctes). Bien entendu, le produit d’intérêt doit avoir la meilleure différence possible d’affinité entre les deux solvants. L’ampoule à décanter est utilisée pour réaliser une extraction liquide – liquide, une décantation et le lavage d’une phase organique. Aujourd’hui, il n’y aura pas de lavage de la phase organique. Donnons quelques définitions : Décantation : procédé permettant la séparation de deux phases liquides non miscibles de densités différentes. Leur séparation s’effectue sous l’action de la pesanteur, en les laissant reposer après avoir retiré le bouchon. Extraction : l’extraction liquide – liquide consiste à faire passer une substance d’un solvant à un autre. Cette opération réalisée par agitation est possible uniquement si les deux solvants sont très peu miscibles. Le but est de récupérer A dans un solvant S’, on dit qu’on fait une extraction de A initialement présent dans un solvant S (cela n’est possible que si A est plus soluble dans S’ que dans S). Notons la différence entre l’extraction et une autre opération : le « lavage ». Le lavage d’une phase organique a pour but d’éliminer A de S, on dit qu’on réalise le lavage de la phase S par un solvant S’. Techniquement, on procède de la même façon que pour une extraction. Lorsque l'on ajoute un composé A dans un milieu comprenant deux phases liquides non miscibles en contact, celui-ci va se répartir dans ces deux phases dans des proportions bien définies qui dépendent de son constante de partage P entre ces deux phases. Ce coefficient est une constante thermodynamique d’équilibre définie à une température T, relative à l'équilibre suivant : Aphase1 = Aphase2 L’expression de la constante d’équilibre P est : 3 P = [A]!"#$% ' [A]!"#$% ( P est appelé constante de partage du constituant A entre la phase 1 et la phase 2. Nous nous proposons de réaliser la détermination d’une constante de partage, celle de l’acide benzoïque, se partageant entre deux phases : la phase aqueuse et la phase organique qui sera ici de l’huile de tournesol. Si nous notons Ph-COOH l’acide benzoïque, nous déterminerons donc : P = [PhCOOH])*+# [PhCOOH]%#, Le choix du solvant organique est ici guidé par des raisons écologiques. En effet, si l’huile de tournesol est visqueuse, elle a l’avantage d’être non toxique. Pour réaliser l’extraction, on pourrait utiliser d’autres solvants, comme le dichlorométhane CH2Cl2, ou l’éther diéthylique Et-O-Et. Ils sont très volatils et pourraient donc être facilement éliminés pour recueillir l’acide benzoïque, mais ils sont toxiques. Reportez-vous aux extraits de leur fiche de sécurité joints pour le remarquer. Faire le choix de ce solvant permet donc de mettre en œuvre les principes de la chimie verte ! Les objectifs de notre activité sont multiples : • Déterminer une constante de partage, • Montrer qu’il est préférable de faire deux extractions successives avec un volume V/2 plutôt qu’une seule avec un volume V Mesure de la constante de partage et mutualisation des résultats On suppose que la température est fixée, c’est celle du laboratoire. Par ailleurs, afin de réaliser le plus soigneusement possible les manipulations, il faudra respecter l’utilisation de la verrerie qui est disposée sur votre paillasse : 4 Acide benzoïque Soude 1er dosage 2nd dosage récupération de l’huile ensuite Phase aqueuse de l’ampoule Séparation de la phase aqueuse 3ème dosage 1 Titrage de la solution initiale d’acide benzoïque Vous disposez d’une solution mère d’acide benzoïque, notée S0. La concentration de l’acide benzoïque dans cette solution mère est notée c0. r Titrer une prise d’essai de volume V0 = 30 mL de la solution mère de concentration S0 (utiliser la burette graduée de 50 mL pour prélever cette prise d’essai) par une solution d’hydroxyde de sodium à c = 0,02 mol.L-1. Vous ferez un dosage rapide puis un dosage précis en utilisant à chaque fois le Bleu de Bromothymol comme indicateur coloré (BBT – 6 gouttes). VE1 est le volume équivalent que vous avez obtenu. 1) Ecrire la réaction de dosage. Le couple acide/base associé à l’acide benzoïque sera noté Ph-COOH/Ph-COO-. Le second couple acide/base est celui où l’eau est l’acide : à l’acide benzoïque sera noté H2O/HO- 2) Quelle est la relation réalisée à l’équivalence ? 3) Ecrire et calculer la quantité de matière n0exp d’acide benzoïque qui est contenu dans V0 = 30 mL de la solution mère, en fonction de VE1. 2 Extraction en une seule fois – mesure de la constante de partage En faisant chez soi sa sauce vinaigrette, on remarque bien que l’eau et l’huile de tournesol sont deux solvants qui ne sont pas miscibles. r Dans l’ampoule à décanter de 250 mL, introduire Vaq = 30 mL de solution mère d’acide benzoïque (toujours prélevés avec l’aide de la burette) et Vorg = 40 mL d’huile de tournesol mesurés à l’éprouvette : cette verrerie est moins précise mais elle est plus pratique à utiliser avec l’huile de tournesol ; la perte de la précision n’est quasiment pas visible sur la valeur de la constante P calculée par la suite). r Agiter vigoureusement pendant 1 minute environ en veillant à dégazer de temps en temps. Vous attendrez que l’on ait revu ensemble la technique particulière à adopter. 5 Il faut prendre soin de dégazer entre chaque agitation pour éviter une surpression dans l'ampoule. 5) Il faut déboucher l'ampoule lorsqu'on la repose sur son support, toujours pour éviter une surpression. On doit ensuite laisser décanter les phases. Il arrive parfois que des gouttes de la phase la moins dense adhèrent le long de la paroi de l'ampoule, au sein de la phase la plus dense. On peut les décrocher manuellement en introduisant une baguette de verre dans l'ampoule ou bien en la faisant tourner sur son axe en tenant le tube entre ses mains. 6) , 7) et 8) On récupère ensuite les deux phases séparément : il faut bien noter que la phase la plus dense est en bas. Si on a un doute, on peut introduire une goutte d'eau dans l'ampoule et suivre son trajet pour voir où se situe la phase aqueuse. On recommence l'extraction de la phase aqueuse avec une nouvelle fraction de phase organique. Une fois l'extraction terminée, on réunit toutes les phases organiques pour le séchage. NB : Durant chacune de ces opérations, il est impératif de conserver toutes les phases (aqueuses et organiques) extraites, même si celles-ci ne vont plus nous servir, en cas d’erreur. Protocole d'extraction 1) On introduit la solution à extraire, puis le solvant d'extraction dans l'ampoule à l'aide d'un entonnoir à liquide. 2) On bouche l'ampoule, en ayant pris soin de graisser le rodage du bouchon rôdé. 3) et 4) On la tient retournée, à deux mains, et on agite énergiquement. Pour extraire le soluté de façon optimale, il faut atteindre l'équilibre de partage précédent. Or si on laisse le contenu de l'ampoule sans agitation, l'interface entre les deux phases est très faible et la diffusion du soluté d'une phase vers l'autre est lente. L'agitation énergique de l'ampoule permet d'augmenter cette interface et d'atteindre l'équilibre plus rapidement. Si l’agitation n’est pas vigoureuse et ne dure pas une minute, le passage de l’acide entre les deux phases se fera mal et les résultats seront faussés. r Laisser reposer (ou décanter) en ayant pris soin d’enlever le bouchon de l’ampoule. Pendant ce temps, rincer la burette et la remplir avec la seconde solution de soude (concentration c’ = 0,004 mol.L-1). r Séparer les deux phases en ayant bien pris soin de bien les identifier ! r Doser l’acide benzoïque qui reste dans la phase aqueuse par la solution d’hydroxyde de sodium de concentration c’ = 0,004 mol.L-1, en opérant sur des prises d’essai de VA = V0/3 = 10,0 mL, toujours en présence de quelques gouttes de BBT. On effectuera un premier dosage rapide, puis un second précis. Soit VE2 le volume équivalent obtenu. Faites attention : lorsque vous prélevez les 10,0 mL de solution, il faut pipeter en mettant le bout de la pipette au fond du récipient, pour ne pas pipeter de l’huile, qui surnage à la surface de uploads/Finance/ ae2-constantedepartage2021.pdf