Cours : Solubilité et extraction par solvant

Mélanges de liquides et immersion des solides

Miscibilité

Considérons quelques liquides d’usage courant : de l’eau, de l’huile de cuisine et de l’alcool de pharmacie.

Si on verse de l’eau et de l’huile dans un verre, on observe que les deux liquides ne se mélangent pas, mais forment deux « couches » distinctes, l’huile restant au-dessus de l’eau.

• L’eau et l’huile ne sont pas miscibles.

Considérons maintenant le flacon d’alcool : le contenu est un liquide homogène. Or il s’agit d’une dilution et, comme l’éthanol est liquide à température ambiante, il s’agit donc bien d’un mélange des deux liquides.

• L’eau et l’éthanol sont miscibles.

Définition

Miscibilité :

La miscibilité de deux liquides représente leur tendance à former un mélange homogène une fois mélangés.
Deux liquides non miscibles forment deux phases distinctes.

Immersion ou flottaison des solides

Dans l’expérience avec l’huile et l’eau, on observe que l’huile forme une couche au-dessus de l’eau, et ce quel que soit l’ordre dans lequel on a versé les deux liquides.

Si, dans une autre expérience, on pose une bille de métal dans un verre d’eau, elle coule au fond.

Enfin, si on dépose un glaçon dans un troisième verre avant de le remplir d’eau, le glaçon remontera à la surface, où il restera partiellement immergé.

À retenir

Chacune de ces situations met en jeu une force, la poussée d’Archimède. Cette force est la résultante des forces pressantes exercées par le fluide (ici l’eau), dirigées vers le haut.

Définition

Poussée d’Archimède :

La poussée d’Archimède est une force exercée par un fluide sur un objet qui y est immergé, en partie ou entièrement. Elle est égale en norme au poids du volume de fluide déplacé par l’immersion de l’objet, et dirigée vers le haut :

$$\vec{\Pi} = - \rho_{\,\text{fluide}}\cdot V_\text{imm}\cdot \vec{g}$$

Où $\vec{g}$ est l’accélération de pesanteur, dirigée vers le bas.

Exemple

Poussée d’Archimède

• Dans le cas de la bille, la poussée d’Archimède est égale au produit de la masse volumique de l’eau par le volume de la bille, par l’accélération de pesanteur. Cette force est inférieure en norme au poids de la bille et celle-ci tombe au fond.
• Au contraire, le glaçon a une masse volumique légèrement inférieure à celle de l’eau, ainsi la poussée compense-t-elle le poids du glaçon si celui-ci est partiellement immergé.
• De même, l’huile « flotte » sur l’eau.

Densité

Pour déterminer quels matériaux flottent ou coulent dans quels fluides, on se réfère soit à leurs masses volumiques, soit à leurs densités.

Définition

Densité :

La densité d’un matériau est le rapport de la masse volumique de ce matériau sur la masse volumique de l’eau. Les valeurs sont mesurées dans les mêmes conditions de température et de pression.

Exemple

Quelques valeurs de densité sont présentées dans le tableau ci-dessous :

Substance fluide	Densité	Matériau solide	Densité
Air (à $20\,\degree \text{C}$ et $1013\ \text{hPa}$)	$1,20 \times 10^{-3}$	Glace d’eau	$0,9$
Essence	$0,75$	Pierre ponce	$0,91$
Éthanol	$0,79$	Bois (chêne)	$0,61$–$0,98$
Huile d’olive	$0,92$	Verre (vitre)	$2,53$
Lait	$1,03$	Acier (moyenne)	$7,8$

Solubilité et solvants

L’eau, un solvant polaire

Le caractère polaire de la molécule d’eau est dû à sa géométrie et à la polarisation des deux liaisons $\text{O}-\text{H}$.

Par interaction électrostatique, les charges partielles positive et négative attirent donc, respectivement, des entités chargées négativement ou positivement en formant des liaisons hydrogène.

• Cela permet à l’eau de solvater cations et anions.

De même, les molécules polaires, comme l’éthanol, sont solubles dans l’eau par formation de ponts hydrogène.

Définition

Solubilité et solvatation :

• La solubilité représente la tendance d’une espèce chimique à se dissoudre dans un solvant.
• La solvatation est la formation de liaisons entre les molécules du solvant et les molécules ou ions du soluté. Ce procédé est nécessaire à la dissolution.

Solvants apolaires

Au contraire de l’eau, un solvant apolaire est constitué de molécules apolaires.
Par exemple, le pentane ou le cyclohexane sont des solvants organiques apolaires.

Exemple

Le dioxyde de carbone supercritique est également un solvant apolaire, dont l’utilisation est de plus en plus fréquente.

À la pression atmosphérique, le $\text{CO}_2$ est soit gazeux, soit solide (au-dessous de $-78,5\,\degree \text{C}$).
Mais, à une température supérieure à $31,1\,\degree \text{C}$ et à une pression supérieure à $72,9\ \text{bar}$, les propriétés du $\text{CO}_2$ sont proches de celles d’un liquide, ce qui permet de l’utiliser comme solvant.

Un grand avantage du $\text{CO}_2$ par rapport à d’autres solvants apolaires est qu’il s’évapore à la pression atmosphérique.

• Il n’y a donc pas de nécessité de purifier le mélange extrait ni de risque d’y trouver des traces d’un solvant toxique.

À retenir

Des matériaux composés de molécules neutres et apolaires peuvent se mélanger avec, ou être solvatés par, des solvants apolaires. Des interactions de van der Waals entre dipôles instantanés et dipôles induits s’établissent.

• La solubilité d’un soluté dans un solvant apolaire varie d’un solvant à l’autre.

On a vu qu’une molécule organique présentant une longue chaîne carbonée, comme l’octane ou le cyclohexane, est apolaire. Cependant ces nombreuses liaisons covalentes forment un grand nuage d’électrons. Celui-ci est polarisable, c’est-à-dire qu’un dipôle induit peut s’y former, facilitant les interactions de van der Waals.

Caractère hydrophile ou lipophile d’une molécule

Les ions et les molécules polaires peuvent former des ponts hydrogènes avec l’eau : ils y sont solubles (ou, pour les liquides, miscibles).

Au contraire, les molécules apolaires ne peuvent pas former de liaisons hydrogène avec l’eau, mais peuvent se mélanger à des solvants apolaires par interactions de van der Waals.

Considérons maintenant une molécule d’oléate.

• Il s’agit d’un dérivé de l’acide oléique, de formule brute $\text{C}_{18}\text{H}_{34}\text{O}_2$ un des principaux constituants de l’huile d’olive. La mention $1-$ indique une charge négative.

On observe qu’une extrémité de la molécule porte une charge électrique et peut donc former des liaisons hydrogène avec l’eau. La longue chaîne carbonée de l’autre côté de la molécule est apolaire et rend la solubilité dans l’eau difficile.

• Cette partie de la molécule peut cependant se lier à d’autres molécules apolaires par interaction de van der Waals.

Définition

Hydrophilie, lipophilie et amphiphilie :

• Une espèce chimique est dite hydrophile si elle est soluble dans l’eau ou miscible avec l’eau.
• Une espèce chimique est dite lipophile si elle est soluble dans la graisse, qui est apolaire.
• Une espèce amphiphile peut être solvatée par l’eau et par des solvants apolaires.
  En général, les parties d’une molécule amphiphile susceptibles d’interagir avec l’eau ou un solvant apolaire sont distinctes.

À retenir

• Les espèces chargées et polaires sont hydrophiles.
• Les molécules neutres et apolaires sont lipophiles.

Applications des propriétés des solvants

Procédure d’extraction liquide-liquide

Considérons la molécule de caféine ci-dessous, de formule brute $\text{C}_8 \text{H}_{10}\text{N}_4 \text{O}_2$. Les atomes d’azote sont indiqués en bleu.

Cette molécule a un caractère amphiphile à cause, d’une part, des doublets libres des atomes d’azote et d’oxygène et, d’autre part, des deux cycles apolaires.

Pour produire des médicaments à base de caféine, et aussi fabriquer du café décaféiné, moins excitant que l’original, on extrait cette molécule de grains de café, torréfiés et trempés dans l’eau.

• Le procédé est celui d’une extraction liquide-liquide.

Définition

Extraction liquide-liquide :

L’extraction liquide-liquide est fondée sur la différence de solubilité d’un soluté dans deux phases non miscibles.

Ce procédé consiste à faire passer le soluté souhaité de la phase où il est moins soluble vers celle où il est plus soluble.
Les deux phases sont généralement une phase aqueuse et une phase organique contenant un solvant apolaire.

À retenir

Le procédé d’extraction comporte plusieurs étapes.

• Dissoudre dans le solvant n° 1 le mélange contenant la molécule à extraire.
• Ajouter le solvant n° 2.
• Bien agiter pour forcer la formation de liaisons entre le solvant n° 2 et la molécule à extraire.
• Laisser reposer pour que se séparent les deux phases.
• Prélever la phase constituée du solvant n° 2.
• Purifier cette phase, par exemple en faisant évaporer le solvant.

Dans le cas de l’extraction de la caféine, le solvant n° 1 est l’eau. En guise de solvant n° 2, le dichlorométhane, une molécule organique apolaire, a longtemps été utilisé. Ce solvant toxique est peu à peu remplacé par le $\text{CO}_2$ supercritique.

Propriétés des tensioactifs

Les molécules amphiphiles des savons sont aussi appelées des tensioactifs, car elles modifient la tension superficielle à l’interface entre deux phases.

• La tension superficielle est la force s’exerçant entre les molécules d’eau à la surface d’une goutte d’eau, par exemple.

Exemple

Ceci est illustré, par exemple, par la formation des bulles de savon.
Celles-ci contiennent en fait de l’air, séparé de l’air extérieur par une pellicule d’eau de forme sphérique, maintenue par les molécules tensioactives.

Bulle de savon

À retenir

Il existe plusieurs types de tensioactifs :

• les tensioactifs anioniques, comme l’oléate, étudié plus haut, portent une charge négative et entrent par exemple dans la composition des savons ;
• les tensioactifs cationiques portent une charge positive et sont utilisés, par exemple, dans les adoucissants ;
• les tensioactifs non ioniques ne portent pas de charge électrique, mais des doublets d’électrons non liants leur permettant de former des liaisons hydrogène.

La molécule amphiphile d’oléate entre dans la composition du savon de Marseille. Elle est apportée par l’utilisation de l’oléate de sodium, un composé ionique.

• L’action du savon et des produits nettoyants est de dissoudre les graisses dans l’eau de lavage.

Plus précisément, les molécules amphiphiles forment des liaisons à la fois avec les molécules d’eau et avec les acides gras et les molécules apolaires (taches sur le linge, sébum sur la peau, etc.). Il se forme alors une suspension « huile dans eau ».

• La phase grasse (apolaire), sous forme de gouttelettes entourées de molécules tensioactives, est dissoute dans la phase aqueuse.

Définition

Suspension et micelle :

Une suspension consiste en un mélange de deux phases non miscibles, où l’une des phases est contenue dans des micelles solvatées par l’autre phase.

• Une micelle est une goutte entourée de molécules amphiphiles, en suspension dans une phase où le contenu de la gouttelette ne peut pas être dissous.

• Dans une suspension « huile dans eau », la phase grasse (ou apolaire) constitue les micelles.

• Dans une suspension « eau dans huile », c’est la phase aqueuse (polaire) qui constitue les micelles.