Approche de la chimie par l'étude de l'eau/Mélanges homogènes et corps purs

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Introduction

Dans le chapitre précédent, nous avons vu qu’il est évident de distinguer des mélanges lorsque ceux-ci sont hétérogènes avec l'exemple du mélange eau/huile. Mais il est impossible de savoir si un corps homogène est un corps pur ou un mélange en se basant uniquement sur l'observation. Ainsi, il faut avoir recours à l'expérimentation pour tester la pureté d'un corps comme nous l'avons vu pour déceler le gaz carbonique ${\ce {CO2}}$ dans l'eau. En réalité, la plupart des objets qui nous entourent sont des mélanges, les objets manufacturés les plus simples contiennent presque systématiquement des additifs comme les colorants.

De plus, l'apparence d'un corps ne reflète pas non plus la complexité d'un mélange. À titre d'exemple, regardons l'étiquette d'une bouteille d'eau de source. Bien que le liquide soit homogène, clair et limpide, l'étiquette indique qu'une multitude de composés y sont présents. Ainsi nous voyons que pour mieux connaître la nature de ce qui nous entoure, nos sens doivent être complétés par l'instrumentation et l'expérimentation.

Mélanges et corps purs

Après ces quelques exemples, il est temps de clarifier le vocabulaire qui sera utilisé par la suite dans toute la chimie. Un corps est pur lorsqu’il compose à lui seul une phase donnée. Quotidiennement le mot «pur» est employé par abus de langage pour désigner en fait un mélange. En effet, l'air, par exemple, est par définition, un mélange de diazote et de dioxygène (ainsi que d'autres composés); l'expression « air pur » est donc un oxymore. Cette expression, au même titre que « l'eau pure » vendue par la publicité, est un raccourci signifiant « cette eau est exempte de polluant et de composé toxique ». Mais, en chimie, ce raccourci n'est pas possible car ces termes de pollution et toxicité sont bien trop vagues. En revanche, on peut parler de taux de pureté, par exemple, une eau pure à 99,9% en masse est un liquide dont 99,9% de sa masse est uniquement de l'eau H₂O. On peut également parler de pureté en volume.

On remarque alors tout de suite un conflit entre l'utilisation commune du mot «pur» et son sens chimique. Parler d'une eau pure à 50% dont les 50% restants seraient du poison est une appellation correcte au sens chimique. Il est donc nécessaire de faire attention à l'emploi du mot « pur ». De plus, en réalité, même les corps les plus purs présentent toujours quelques impuretés qu'on appelle alors des impuretés traces car il est très difficile de purifier totalement un produit. De plus, les impuretés ont tendance à venir salir spontanément tous les corps purs alors qu'on ne verra jamais un corps avec des impuretés se purifier entièrement tout seul.

Il faut garder à l'esprit cette véritable définition de la pureté et que tout ce qui nous entoure est en réalité des mélanges.

Comme il a été dit plus haut, il est possible de purifier des mélanges. Cette purification est en réalité une séparation des différents constituants d'un mélange en exploitant la différences de propriétés des différents constituants. En retirant une partie des impuretés d'un corps, sa fraction massique dans le mélange augmentera, augmentant ainsi le taux de pureté. Si on purifie totalement 1 kilogramme d'eau pure à 50%, il sera possible d’en tirer que 500 grammes d'eau pure à 100%, les 500 grammes manquant correspondants aux impuretés.

Dans le chapitre précédent, nous avons déjà procédé à une purification. En retirant le ${\ce {CO2}}$ de l'eau, nous avons augmenté son taux de pureté. Une manière courante de purifier les mélanges est d'apporter de l'énergie sous forme de chaleur. Dans le cas de l'eau, elle peut être purifiée par évaporation.

Évaporation

Pour reprendre l'exemple de la bouteille d'eau de source, l'étiquette indique que de nombreux composés sont présents sans la bouteille. L'eau et ces composés ont des propriétés différentes comme leur température d'ébullition. Alors que l'eau bout à 100 °C, les composés listés sur l'étiquette sont encore solides à plusieurs centaines de degrés Celsius. Ainsi en chauffant l'eau jusqu'à son ébullition il est possible de la séparer de toutes les impuretés qui la composent. D'ailleurs, l'étiquette fait mention de cela en précisant la quantité de matière restante après l'évaporation de l'eau.

C'est typiquement le phénomène qui se produit lorsque de la vaisselle mouillée est laissée à l'air libre. L'évaporation naturelle de la faible quantité d'eau sur le verre va laisser les composés solides sur le verre sous forme de traces blanches. Dans les mécanismes utilisant des grandes quantités d'eau chaude, l'accumulation de ces résidus peut vite poser des problèmes comme dans les machines à laver ou les laves vaisselle.

En laboratoire, l'eau qui est utilisée pour laver la verrerie est une eau purifiée et débarrassée de la plupart des impuretés susceptibles de rester sur le matériel après l'évaporation de l'eau. En effet l'accumulation de ces composés indésirables peut poser des problèmes en réagissant avec les produits utilisés au cours des expériences faussant de cette manière, les mesures de propriétés ou les dosages. Et ce problème peut devenir très important dans les laboratoires travaillant avec des composés à des concentrations proches de l'état de trace, c’est un domaine de la chimie à part entière.

Enfin, on peut remarquer que l'expérience de l'évaporation ne nous avance pas trop dans notre quête d'une eau pure car une fois sous forme de gaz, l'eau n'est plus accessible. La dernière partie de ce cours sera dédiée à un montage complet permettant de purifier de l'eau.

La chromatographie

La chromatographie est une technique de séparation permettant de séparer les différents constituants d'un mélange. Cette technique est basée sur la différence d'affinité des composés vis-à-vis de deux phases. Une dite stationnaire, l'autre mobile.

C'est la technique la plus répandue en chimie analytique pour analyser les mélanges. La chromatographie est divisée en plusieurs catégories suivant la nature des phases utilisées pour la séparation. Dans la chromatographie sur couche mince, la séparation se fait avec une phase stationnaire sous forme de feuille de papier ou de silice et d'une phase mobile liquide. Le mélange contenant les composés à séparer est déposé au bas de la phase stationnaire dont on plonge un coté dans un solvant (la phase mobile) capable d'entrainer ces différents constituants. Les composés constituant le mélange vont migrer avec la phase mobile par capillarité à des vitesses différentes qui dépendent de leur affinité avec la phase stationnaire. Ce parcours de la phase stationnaire à travers la phase mobile est appelé élution.

Expérience

Figure 1 : schéma d'une expérience de chromatographie

Matériel nécessaire

(Cette expérience est très facile à reproduire chez soit et il serait dommage de s'en priver. Aussi en plus du matériel classique de laboratoire, j’ai indiqué le matériel à porté de tous pour réaliser cette expérience en 5 minutes.)

• Un bêcher (ou un bocal),
• un couvercle,
• 3 capillaires (ou 3 aiguilles)
• une plaque en verre (ou une petite assiette)
• une bande de papier filtre d'environ 7x15cm (découper un filtre à café de manière à avoir une bande sans pli),
• 2 colorants alimentaires (ou 2 M&M's de couleur différentes)
• 20 cl d'eau.

Protocole

Introduire de l'eau dans le bêcher de manière à avoir 1 cm de liquide au fond du bêcher. Placer un couvercle au dessus du bêcher. Attention, pendant toute l'expérience, manipuler le bêcher avec souplesse pour ne pas faire bouger l'eau, en particulier quand le filtre y est plongé. Sur une plaque en verre, déposer une goutte de chaque colorant séparé et faire un troisième dépôt en mélangeant équitablement les deux colorants. À l'aide d'un capillaire déposer les colorants et le mélange sur le filtre, à 2 cm du bord, espacé de 1 cm les uns des autres. Le but est de déposer les colorants sur le papier filtre en veillant à avoir un dépôt très fin, si la goutte s'étale trop, le colorant est trop dilué et moins visible. Il est possible de déposer plusieurs fois un même colorant au même endroit pour augmenter la quantité et donc l'intensité de la couleur, mais attention toutefois à ne pas élargir la tâche. Retirer le couvercle et plonger délicatement le filtre à la verticale dans le bêcher de manière à ce que les trois dépôts soient en ligne et bien au dessus du niveau du liquide. Le filtre est maintenu à la verticale en reposant sur la paroi du bêcher. Refermer le couvercle.

Pour réussir cette expérience chez soit, placer deux M&M's dans une assiette et faire couler une goutte d'eau sur chacun d'eux. L'eau dissout ainsi une petite partie du colorant. Veillez à charger le plus possible de colorant en remuant le bonbon de manière à ce que la coloration de l'eau soit visible à l'œil. Préparer un mélange équitable des deux colorants en prenant une goutte de chaque à l'aide d'une fourchette par exemple. Utiliser l'aiguille pour faire des dépôts fins (étape délicate)

Attendre que le liquide monte jusqu'à 1 cm à la limite du haut du filtre. Une fois l'eau montée jusqu'à 1 cm à la limite du haut du filtre, retirer le papier filtre et tracer un trait au crayon sur la ligne séparant la zone mouillée et sèche du filtre.

Mesurer $X_{f}$, la distance entre le point de dépôt et la ligne de séparation entre le filtre mouillé et le filtre sec. Cette ligne est appelée front du solvant. $X_{1}$, la distance entre le point de dépôt 1 et le centre de la tâche visible en haut du dépôt 1. $X_{2}$, la distance entre le point de dépôt 2 et le centre de la tâche visible en haut du dépôt 2. $X_{3}$, la distance entre le point de dépôt 3 et le centre de la tâche visible en haut du dépôt 3. $X_{4}$, la distance entre le point de dépôt 3 et l'autre centre de la tâche visible en haut du dépôt 3.

Calculer $R_{1}$, $R_{2}$, $R_{3}$ et $R_{4}$ les rapports frontaux des différents composés définis comme le rapport entre la distance parcourue par le composé et la distance parcourue par l'eau tel que :

$R_{i}={\frac {X_{i}}{X_{f}}}$

Si l'un des colorants alimentaires est vert, deux tâches apparaîtront, une bleu et une jaune, cela ne change pas la logique des calculs à effectuer.

Observation

Le liquide monte le long du papier filtre entraînant les colorants vers le haut du filtre. Les tâches de colorants se déplacent à des vitesses différentes. Là où un seul colorant a été déposé, une seule tâche est visible. Au dessus du dépôt fait avec le mélange de colorants deux tâches sont visibles. Les tâches de même couleur sont alignées horizontalement. L'expérience est schématisée Figure 1.

Interprétation

L'eau entraîne les différents colorants au cours de sa migration. Du fait de la différence d'affinité des colorants avec la phase mobile et la phase stationnaire, l'un d'eux est plus retenu par la phase stationnaire ce qui entraîne une différence de mobilité des composés. Les colorants peuvent ainsi être identifiés en comparant la valeur du rapport frontal de chaque tâche.

Conclusion

La chromatographie permet donc de séparer les constituants d'un mélange homogène suivant leur affinité avec les différentes phases mais aussi, d’identifier les composants d'un mélange en comparant la valeur des rapports frontaux.

Remarque : Pour identifier un composé à l'aide de son rapport frontal, il est nécessaire d’avoir un étalon de référence sur lequel on peut calculer un rapport frontal. Il n'y a pas ici d'identification de composé totalement inconnu. De plus on dit que deux composés sont coélués quand leur rapport frontal sont identiques, si ces composés sont de même couleur, on peut alors les confondre à tort.

La distillation

La distillation est une technique de séparation d'un mélange de liquides dont les températures d'ébullition sont différentes. Elle permet de séparer les constituants d'un mélange homogène. Sous l'effet de la chaleur, les substances se vaporisent successivement, et la vapeur obtenue est liquéfiée pour donner le distillat.

Distillation d'une eau minérale

L'eau utilisée pour les expériences de laboratoire est une eau quasi pure débarrassée de la plupart de ses impuretés. Cette eau est obtenue par distillation d'eau de ville. Le principe de cette technique est de chauffer l'eau à purifier jusqu'à l'ébullition et de la condenser à l'aide d'un réfrigérant dans un récipient. Les composés sont séparés selon leur température d'ébullition, ainsi pour contrôler l'évolution de la distillation il est nécessaire de connaître la température d'ébullition du composé gazeux extrait. Les composés gazeux dont la température d'ébullition est inférieure à 100 °C (les impuretés plus volatiles que l'eau) sont extraits dans un premier temps. Quand la température du gaz est de 100 °C, c’est l'eau qui est séparée des composés dont la température d'ébullition est supérieure à 100 °C.

Remarque

Plusieurs facteurs vont influencer la propreté de l'eau obtenue au cours de cette expériences.
Dans un premier temps l'efficacité de la séparation par évaporation n'est pas maximum, des impuretés peuvent être entrainées avec l'eau lors de son évaporation. Ce phénomène constitue une première limitation. Il existe d'autres techniques permettant d'atteindre des taux de pureté supérieurs.
Dans un second temps intervient la recontamination. L'eau pure, au moment de l'extraction, peut être recontaminée au cours de son transport et de son stockage par le matériel utilisé. L'eau peut dissoudre les impuretés laissées après le précédent lavage, d'où l'importance de la propreté du matériel qui est une seconde limitation.

Expérience

Matériel nécessaire

• Un chauffe ballon
• Un ballon de 250 ml
• Une colonne à distiller
• Une tête de distillation
• Un réfrigérant
• Une allonge coudée
• Un valet
• Un flacons de 100 ml
• Un thermomètre

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  Figure 2 : Chauffe ballon
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  Figure 3 : Ballon a fond rond
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  Figure 4 : Colonne à distiller
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  Figure 5 : Tête de distillation

Protocole

Dans un ballon de 250 ml, introduire 100 ml d'eau du robinet. Installer le système de distillation au dessus du ballon et placer un flacon de récupération à la sortie de l'allonge coudée. Faire circuler l'eau froide dans la double paroi du réfrigèrent. Sous le ballon à fond rond, placer le chauffe ballon et commencer à chauffer. Faire évaporer la majeure partie de l'eau vers le flacon de récupération. Éteindre et retirer le chauffe ballon avant que la totalité de l'eau ne se soit évaporée.

Il ne faut jamais laisser chauffer le matériel lorsque celui-ci est vide sous peine de l'endommager.

Observation

L'eau du robinet circule dans le réfrigèrent. L'eau contenue dans le ballon entre en ébullition, la vapeur entre dans la colonne et se condense. L'eau monte jusqu'en haut de la colonne et la température du thermomètre commence à monter jusqu'à atteindre 100 °C. La vapeur entre dans le réfrigèrent, se condense et l'eau résultante coule dans le flacon de récupération. À mesure que l'eau s'évapore, un dépôt solide blanc apparaît dans le ballon.

Figure 6 : schéma d'une expérience de distillation

Interprétation

L'eau du ballon est chauffée jusqu'à son ébullition, la vapeur formée entre dans la colonne à distiller et se condense sur les parois froides. Le liquide obtenu coule le long de la colonne pour retomber dans le ballon et rencontre la vapeur d'eau provenant du ballon. L'eau dans la colonne est alors à l'équilibre entre sa forme liquide et gazeuse. Du fait de l'apport continu de vapeur, l'eau à l'équilibre monte dans la colonne. Après les multiples évaporations et condensations dans la colonne de distillation, l'eau est débarrassée de ses impuretés, lorsqu'elle atteint le réfrigérant, elle est refroidit par le contact avec les parois froides. Le refroidissement constant du réfrigérant par l'eau qui circulent dans sa double paroi fait qu’il ne peut plus y avoir de vapeur en sortie du système. C'est de l'eau purifiée qui coule dans le flacon de récupération. La température affichée par le thermomètre est celle de la phase gazeuse dans la tête de distillation, la température d'ébullition d'un corps est un indicateur de sa pureté, la température affichée peut donc être utilisée pour contrôler la qualité de l'eau en sortie du système. Comme de l'eau débarrassée d'impuretés sort du système, les impuretés dissoutes dans l'eau se concentrent dans le ballon. Lorsque presque toute l'eau est évaporée, il ne reste que les impuretés qui étaient présentes dans l'eau.

Conclusion

La distillation a permis de séparer des constituants d'un mélange homogène et de mettre en évidence la présence d'impuretés solides dans l'eau. Cela souligne le fait qu’il n'est pas possible d'affirmer qu'un corps homogène est pur sur une simple observation visuelle