Extraction et séparation d'espèces chimiques
Cours · physique-chimie (Tronc Commun Sciences, Maroc), chapitre 7 · Maroc, Tronc Commun Sciences · le début du chapitre, la suite sur Adloun
La plupart des matières premières utilisées au quotidien (plantes, fruits, fleurs, pétrole) sont des mélanges de nombreuses espèces chimiques. Pour utiliser une espèce précise — un parfum, un arôme, un colorant, un principe actif — le chimiste doit d'abord l'extraire de son milieu, puis la séparer des autres composés, et enfin l'identifier afin de vérifier sa nature et sa pureté. Ce chapitre présente les principales techniques d'extraction, de séparation et d'identification des espèces chimiques.
7.1 Espèces chimiques naturelles et de synthèse
Une espèce chimique est un ensemble d'entités identiques (atomes, molécules ou ions). Elle est caractérisée par des grandeurs physiques propres : température d'ébullition, masse volumique, solubilité, indice de réfraction, couleur, odeur, etc.
- Une espèce chimique naturelle existe dans la nature : on l'extrait d'un végétal, d'un animal ou d'un minéral (le menthol de la menthe, le limonène de l'orange).
- Une espèce chimique synthétique est fabriquée par l'Homme au laboratoire ou en industrie, par des réactions chimiques.
Une espèce naturelle et la même espèce obtenue par synthèse sont rigoureusement identiques : elles ont exactement les mêmes propriétés physiques et chimiques. La vanilline extraite de la gousse de vanille est la même molécule que la vanilline de synthèse.
7.2 Solubilité, miscibilité et densité
Les techniques d'extraction et de séparation reposent sur quelques propriétés essentielles des espèces chimiques et des solvants.
La solubilité d'une espèce chimique dans un solvant est la masse maximale de cette espèce que l'on peut dissoudre dans un litre de solvant à une température donnée. Une espèce est dite soluble dans un solvant si elle s'y dissout, insoluble dans le cas contraire.
Deux liquides sont :
- miscibles s'ils se mélangent totalement et forment une seule phase homogène (eau et éthanol) ;
- non miscibles s'ils forment deux phases distinctes séparées par une surface de séparation (eau et huile, eau et cyclohexane).
Propriété : Densité d'un liquide
La densité d'un liquide est le rapport de sa masse volumique à celle de l'eau :
Lorsque deux liquides non miscibles sont en présence, le moins dense forme la phase supérieure et le plus dense la phase inférieure.
7.3 Techniques d'extraction
Extraire une espèce, c'est la faire passer du milieu où elle se trouve vers un milieu où on pourra plus facilement la récupérer.
7.3.1 Extraction par solvant
Méthode : Extraction par solvant
On met le mélange en contact avec un solvant choisi de telle sorte que l'espèce à extraire y soit très soluble. L'espèce passe alors majoritairement dans ce solvant, que l'on récupère ensuite. Le solvant extracteur doit :
- dissoudre fortement l'espèce recherchée (grande solubilité) ;
- ne pas être miscible avec la phase de départ, pour que les deux liquides se séparent ;
- être facile à éliminer ensuite (température d'ébullition basse).
Pour extraire le diiode d'une solution aqueuse, on ajoute du cyclohexane, non miscible à l'eau, dans lequel le diiode est beaucoup plus soluble. Après agitation, le diiode colore la phase organique en violet : il a quitté l'eau pour le cyclohexane.
7.3.2 Hydrodistillation (entraînement à la vapeur)
L'hydrodistillation, ou entraînement à la vapeur, consiste à faire passer de la vapeur d'eau à travers un végétal. La vapeur entraîne avec elle les espèces odorantes volatiles ; le mélange de vapeurs est ensuite refroidi dans un réfrigérant, puis recueilli sous forme liquide. On obtient un distillat contenant l'eau et les huiles essentielles.
L'hydrodistillation des feuilles de menthe, des pétales de rose ou des zestes permet d'obtenir des huiles essentielles très utilisées en parfumerie.
7.3.3 Expression (pressage)
Méthode : Extraction par expression
L'expression consiste à presser mécaniquement la matière première pour en extraire le jus contenant les espèces recherchées, sans chauffage ni solvant. On l'utilise pour les espèces fragiles, sensibles à la chaleur.
On obtient l'huile essentielle de citron ou d'orange en pressant les zestes des agrumes ; on extrait l'huile d'olive en pressant les olives.
7.3.4 Enfleurage
L'enfleurage est une technique ancienne d'extraction des parfums fragiles : on dépose les pétales de fleurs sur un corps gras (graisse animale ou végétale) qui absorbe les espèces odorantes. La graisse parfumée est ensuite traitée par un solvant (l'éthanol) pour récupérer le parfum.
Le choix de la technique dépend de la nature de l'espèce : on réserve l'enfleurage et l'expression aux espèces fragiles détruites par la chaleur, tandis que l'hydrodistillation convient aux espèces volatiles résistant à la température de la vapeur d'eau.
7.4 Techniques de séparation
Après extraction, l'espèce recherchée se trouve dans un mélange dont il faut la séparer.
7.4.1 Décantation et ampoule à décanter
La décantation sépare deux phases non miscibles de densités différentes en les laissant reposer : la phase la plus dense se rassemble en bas. Pour les liquides, on utilise une ampoule à décanter.
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