Extraction des espèces chimiques
Introduction :
Bien avant d'apprendre à créer lui-même les espèces chimiques qui l'intéressaient, l'Homme savait déjà exploiter celles présentes dans la nature. Le plus souvent, ces espèces chimiques étaient mélangées à d'autres. Il a donc fallu trouver des moyens pour les isoler. Ce cours va permettre d'étudier les différentes méthodes d'extraction.
Nous commencerons par faire le point sur ce qu'est exactement un mélange en chimie, et nous verrons ensuite quelles ont été les premières méthodes d'extraction.
Enfin, nous passerons à l'ère moderne et aux méthodes d'extractions utilisées en laboratoire de chimie.
Mélanges et extraction
Mélanges et extraction
Corps purs, corps composés et mélanges
Corps purs, corps composés et mélanges
Espèce chimique :
- Un corps pur simple est constitué d'un seul élément chimique.
Par exemple, le dioxygène $O_2$ est un corps pur simple car il n'est constitué que d'un seul élément chimique : l'oxygène.
- Un corps pur composé est quant à lui constitué d'une seule espèce chimique, mais celle-ci peut contenir plusieurs éléments chimiques.
Par exemple, le dioxyde de carbone $CO_2$ est constitué de deux éléments : le carbone et l'oxygène.
Il ne faut pas confondre les corps purs composés et les mélanges. Un mélange est un corps contenant plusieurs espèces chimiques différentes.
Par exemple, l'air est un mélange car il est constitué de plusieurs espèces chimiques différentes, à savoir plusieurs corps purs simples : l'azote, le dioxygène et l'argon. Mais c'est aussi un corps pur composé : le dioxyde de carbone $CO_2$.
Techniques d'extraction
Techniques d'extraction
Extraction :
Extraire une espèce chimique consiste à l'isoler des autres espèces chimiques avec lesquelles elle est mélangée. On distingue deux types d'extraction :
- l'extraction solide-liquide, quand l'espèce chimique à extraire est sous forme solide ;
- l'extraction liquide-liquide, quand l'espèce chimique à extraire est dissoute dans un autre liquide.
Extractions solide-liquide
Assez souvent, une seule extraction ne suffit pas à obtenir le produit voulu. Il faut donc combiner plusieurs méthodes. Le solide est parfois broyé afin de faciliter l'extraction de l'espèce souhaitée.
- L'expression, ou pressage, consiste à presser les fruits ou les plantes solides pour en extraire le jus, l'huile ou le suc. L'huile d'olive est obtenue de cette façon.
Pression à froid de l'huile d'olive
- La filtration sépare les constituants solides des constituants liquides au moyen d'un filtre. Elle est très utilisée pour retirer de grosses particules d'un liquide, mais laisse souvent passer les plus petites.
- L'évaporation permet de se débarrasser de l'eau d'un mélange. Elle est utilisée dans les marais salants. L'eau de mer est stockée dans des bassins à ciel ouvert. Le soleil fait évaporer l'eau, et le chlorure de sodium $NaCl$ qui y était jusque-là dissous cristallisation . Il n'y a plus alors qu'à le récupérer.
Marais salant
- La décantation consiste à laisser un mélange au repos. Les espèces chimiques qui le constituent vont se séparer : les plus denses couleront au fond du récipient tandis que les moins denses surnageront.
La décantation n'est réellement efficace que pour les mélanges dont les constituants sont non miscibles.
- L'extraction par solvant consiste à placer des solides (en général des végétaux) dans un liquide afin que certaines de leurs substances chimiques s'y dissolvent. Il existe plusieurs méthodes d'extraction par solvant.
- La macération consiste à mettre une plante dans un solvant froid (généralement de l'eau) pendant une longue durée. Par exemple, lors de la production du vin, on procède à la macération du moût du raisin et de son jus pour extraire les arômes et les colorants.
Macération du raisin, production du vin
- On parle d'infusion lorsque les végétaux sont placés dans un solvant chaud pendant une durée limitée.
Le thé est préparé par infusion des feuilles de théier séchées dans l'eau chaude.
- La décoction consiste à porter à ébullition pendant quelques minutes une plante ou certaines parties dures d'un végétal (généralement les racines, les graines ou l'écorce).
- L'enfleurage est surtout utilisé en parfumerie. Il consiste à enduire de graisse inodore un solide (par exemple des fleurs) dont on désire récupérer l'arôme.
- L'hydrodistillation est utilisée pour produire des huiles essentielles à partir de végétaux. On chauffe les végétaux dans de l'eau qui s'évapore. Cette vapeur contient les arômes de la plante très concentrés : elle est recondensée et récoltée.
Extraction en laboratoire de chimie
Extraction en laboratoire de chimie
La filtration
La filtration
On filtre les mélanges solide-liquide pour séparer les composants solides des composants liquides.
Montage
Protocole
Pour filtrer un mélange solide-liquide, il faut fixer un entonnoir à une potence et y mettre un papier filtre. On verse le mélange dans le filtre.
- La partie solide est retenue par le filtre tandis que le liquide s'écoule dans l'entonnoir. Sous l'entonnoir, un erlenmeyer recueille le liquide d'écoulement que l'on appelle le filtrat.
Durant cette extraction, le dépôt de solide au fond du filtre ralentit souvent considérablement l'écoulement du filtrat. On peut alors utiliser un agitateur en verre pour écarter le dépôt et accélérer le processus. Ce faisant, il faut prendre garde à ne pas percer le filtre en papier, rendu très fragile par le liquide dont il est imbibé.
Pour éviter le problème de filtre qui se déchire, et surtout pour réduire le temps de filtration, on a souvent recours à la filtration sous vide.
La filtration sous vide
La filtration sous vide
Montage
Protocole
Le montage de la filtration sous vide diffère un peu de celui de la simple filtration. On utilise un entonnoir Büchner qui a l'avantage d'avoir un fond plat perforé : plus de liquide peut donc s'écouler. On ajoute généralement entre le mélange et le fond de l'entonnoir un morceau de papier filtre pour retenir plus de solide.
L'entonnoir est fixé hermétiquement à un erlenmeyer à vide grâce à un bouchon adapté qui sert de joint. Cet erlenmeyer a une seconde ouverture sur le haut, que l'on relie à un robinet que l'on ouvre. Si le montage est effectué convenablement, il est bien étanche.
- La circulation d'eau va créer le vide dans l'erlenmeyer et accélérer la filtration.
La décantation : une extraction liquide-liquide
La décantation : une extraction liquide-liquide
L'extraction liquide-liquide est une opération plus ou moins complexe à réaliser en fonction des mélanges.
- Si les deux espèces chimiques que l'on souhaite séparer sont non miscibles, comme l'huile et l'eau par exemple, il suffit de laisser le mélange au repos pour qu'ait lieu une décantation. L'huile, moins dense, remonte à la surface.
Mélange huile et eau
Deux liquides non miscibles peuvent être séparés à l'aide d'une ampoule à décanter.
- On place le mélange dans l'ampoule et on laisse au repos pour que la décantation ait lieu. Le liquide le plus dense (ici l'eau) va se retrouver au fond. On peut alors le retirer du mélange à l'aide du robinet situé en bas de l'ampoule.
Montage
Bonne utilisation de l'ampoule à décanter
Protocole
Pour extraire une espèce chimique dissoute dans une solution aqueuse (autrement dit dissoute dans de l'eau), on ajoute à la solution un solvant organique.
Le solvant d'extraction doit être non miscible à l'eau et l'espèce à extraire doit y être plus soluble que dans l'eau. Le solvant choisi doit aussi présenter le moins de risques chimiques possibles lors de son utilisation.
- On bouche le haut de l'ampoule avec un bouchon adapté (jamais avec sa main), et on agite le mélange. La réaction qui a lieu libère du gaz. Il faut redresser l'ampoule plusieurs fois, l'ouvrir pour dégazer, puis bien la refermer avant de l'agiter à nouveau. Cela fait, on retire le bouchon et on laisse décanter sur un support.
L'espèce chimique va ainsi « migrer » de l'eau vers le solvant organique. On obtient alors deux phases, une phase aqueuse et une phase organique.
Phase organique :
La phase organique contient le solvant organique où est dissous l'espèce chimique à extraire.
La phase organique et la phase aqueuse ne sont pas toujours dans le même ordre.
En fonction des espèces chimiques en présence, ce sera tantôt l'eau qui surnagera, tantôt la phase organique. Tout dépend de leurs densités respectives.
La densité de l'eau étant égale à 1.
- Si la densité du solvant organique est supérieure à 1, alors la phase organique sera au-dessous de la phase aqueuse.
- Si la densité du solvant organique est inférieure à 1 (ce sera le cas par exemple si on utilise du cyclohexane ou de l'éthanol), alors la phase organique sera au-dessus de la phase aqueuse.
Une fois que l'on a obtenu les deux phases, chacune peut être récupérée dans deux récipients distincts.
Hydrodistillation
Hydrodistillation
La décantation peut être précédée d'une hydrodistillation. Cette méthode permet d'extraire des espèces chimiques, les huiles essentielles, contenues dans un végétal.
- Lors de l'hydrodistillation, on fait chauffer le végétal dans de l'eau. Les espèces chimiques passent à l'état gazeux et sont entrainées par la vapeur d'eau. Celle-ci est ensuite dirigée dans un réfrigérant où elle se condense. On obtient alors un mélange de deux liquides non miscibles nommé hydrodistillat.
L'hydrodistillat est lui aussi formé d'une phase aqueuse et d'une phase organique contenant l'huile essentielle du végétal. Les deux phases sont alors séparées dans une ampoule à décanter, et seule la phase organique est conservée.
Montage de l'hydrodistillation