TP extraction liquide liq

  Université Ferhat Abbas Sétif

Faculté de Médecine

Département de pharmacie

 

 

COMPTE RENDU DU TP N°4

            Réalisé par :

                                                à                 

                                                          à                                

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PLAN DU TRAVAIL:

1.   PARTIE THORIQUE :

v  Introduction.

v  Réaction conduisant a la formation de l’aniline.

v  Definition de procédé.

v  Principal avantage.

v  Principe physico-chimique.

i.    Miscibilité.

ii.    Densité.

iii.    Solubilité.

v  Choix d’un extracteur liquide-liquide.

v  Applications industriels.

2.  PARTIE PRATIQUE :

v  Introduction.

v  But de TP.

v  Réactifs et matériels utilisés.

v  Mode opératoire.

v  Preparation de mélange.

v  Les émulsions.

v  Résultats et exploitation.

v  Rsultats v  Conclusion.

 

1)  introduction :

L’extraction liquide-liquide est un procédé physique permettant la récupération ou la purification d'un composé en utilisant les différences de solubilités mutuelles de certains liquides.

Soit un composé, appelé soluté, dissout dans un liquide, l'éluant, l'ensemble formant un brut, et un tiers produit le solvant.

Le solvant dissout le soluté mais non l'éluant, avec ce dernier il forme deux phases liquides non miscibles (comme l'huile et l'eau).

En mélangeant au brut du solvant, on obtient un système instable qui se sépare en deux phases, dans lesquelles le soluté se répartit en fonction de son affinité propre pour l'une ou pour l'autre.(Phénomène du PARTAGE).
Après équilibration de l'ensemble, on peut, par une décantation, séparer les deux phases: l’extrait (riche en solvant) et le raffinat (riche en éluant).

Si le solvant a judicieusement été choisi, on peut le séparer facilement du soluté, et obtenir ce dernier pur.

Généralement il reste dans le raffinat une quantité notable de soluté, c'est pourquoi on recommence plusieurs fois l'opération

2)                Réaction conduisant a la formation de l’aniline :

 

 

 

L'aniline peut être fabriquée à partir du benzène en deux étapes. Au cours de la première étape, le benzène subit une nitration (substitution électrophile aromatique utilisant de l'acide nitrique) pour former du nitrobenzène. Au cours de la seconde étape, le nitrobenzène est réduit pour former l'aniline. Une grande variété de réactifs réducteurs peuvent être employés au cours de cette seconde étape, dont notamment du dihydrogène (en présence d'un catalyseur), du sulfure d'hydrogène, ou des métaux comme le fer, le zinc ou l'étain.

3)  Principal avantage :

Par fois l’utilisation de la distillation simple conduit a la dégradation de produit final,ou devient difficile  a cause de la température proche de couple (soluté – solvant) ou élevée qu’il faut exercer sur la solution pour vaporiser le solvant ,pour cette raison on utilise la méthode de l’extraction liquide – liquide au quelle on utilise un 2^eme solvant ;non seulement il doit être non miscible avec le 1^er mais également caractérisé par une T°_eb minime qui permet l’extraction en toute sécurité .

4)  Définition du procédé :

Le soluté et son système liquide-liquide étant choisis, la réalisation d'un atelier industriel requiert la détermination d'un diagramme de procédé. Celui-ci définit les conditions opératoires : flux entrant et sortant ainsi que leurs débits et compositions (bilan matière).

Il est établi à partir des données indispensables suivantes :

• le nombre d'étages nécessaires aux séparations pour chaque étape du procédé
•  le rapport des phases dans chaque contacteur
• les performances des séparations caractérisées par la teneur en soluté du raffinat, la teneur en soluté de l'extrait avant et après lavage éventuel à reflux, les coefficients de séparation des solutés, notamment des impuretés du composé principal à traiter.

      5)Principe physico-chimique :

L'extraction liquide-liquide est une opération qui permet la séparation d'un ou plusieurs constituants par l'utilisation de leur distribution inégale dans deux liquides pratiquement non-miscibles.

Généralement on met en contact intime la .solution d'alimentation, contenant les constituants à séparer (solutés) avec un autre solvant appelé solvant qui extrait préférentiellement un ou plusieurs des solutés. Le solvant qui contient alors le ou les solutés est désigné sous le terme : d’extrait, la solution d'alimentation ayant perdu la majeure partie de ces mêmes constituants est appelé raffinat.

En pratique l'utilisation d'un procédé liquide-liquide requiert deux opérations successives :

• une mise en contact intime des deux liquides durant un temps suffisant à l'obtention de l'équilibre pendant lequel le ou les solutés sont transférés de la phase d'alimentation dans le solvant ; à l'équilibre, le rapport des concentrations du soluté dans l'extrait et le raffinat , appelé coefficient de distribution, donne une mesure de l'affinité relative du soluté pour les deux phases.
• après leur contact, une séparation ultérieure des deux liquides (extrait et raffinat)

Même si le principe de l'extraction liquide-liquide parait simple, sa mise en place est assez complexe. Comme nous allons le voir, il faut successivement choisir le soluté, le système liquide-liquide, le procédé et enfin l'appareil qui donneront les meilleures performances.

5-1)La densité :

La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure à 4 °C pour les liquides et les solides. Dans le cas de gaz ou de vapeur, le corps de référence gazeux est l'air, à la même température et sous la même pression. La densité est une grandeur sans dimension et sa valeur s'exprime sans unité de mesure.^[]

5-2)La solubilité :

La solubilité d'un composé ionique ou moléculaire, appelé soluté, est la quantité maximale de moles de ce composé que l'on peut dissoudre ou dissocier, à une température donnée, dans un litre de solvant. La solution ainsi obtenue est saturée.

Le solvant le plus courant est l'eau. Le soluté peut être un gaz (exemple: air dans l'eau), un liquide (exemple: alcool dans l'eau) ou un solide (exemple: sel de cuisine NaCl dans l'eau). L'eau est l'un des solvants les plus efficaces pour dissoudre les composés ioniques ou polaires.

La dissolution simple d'un composé est endothermique: par exemple la dissolution de sucre (solide moléculaire) dans l'eau. Cependant, lorsque d'autres réactions interviennent lors de la dissolution, le phénomène global peut être exothermique: exemple la dissolution dans l'eau de l'acide sulfurique H₂SO₄ est très exothermique à cause de la solvatation des ions obtenus H₃O⁺ et SO₄^2–.

Dans le cas d'un composé solide ionique, la constante d'équilibre de la réaction de dissolution est appelée produit de solubilité et est notée K_s(T). Elle ne dépend que de la température T et en général elle augmente avec celle-ci. La solubilité S est fonction de ce produit de solubilité et varie dans le même sens.

5-3)  La miscibilité :

La miscibilité désigne usuellement la capacité de divers liquides à se mélanger.

Si le mélange obtenu est homogène, les liquides sont qualifiés de miscibles.

Inversement, les liquides sont dits non-miscibles s'ils ne peuvent pas se mélanger et forment un mélange hétérogène : on observe alors plusieurs phases. Le liquide de densité plus faible sera alors placé au-dessus de l'autre.

C'est le cas par exemple de l'eau et de l'huile.

Des phases solides peuvent également former une solution solide et présenter un caractère de miscibilité totale, partielle ou d'immiscibilité, étudié au travers de diagrammes de phase.

Coefficient de partage :

La distribution, ou le partage d’un soluté entre les deux phases à l’équilibre est donnée par le coefficient de partage (ou de distribution, ou de répartition). Cette grandeur se définit comme le rapport des teneurs respectives en soluté dans l’extrait et le raffinat lorsque l’équilibre est réalisé. Ce coefficient varie avec la nature des constituants en présence, leurs concentrations et la température. Il est peu influencé par la pression. Il est constant dans le cas de mélanges idéaux, constitués de molécules non-associées pour lesquels la loi de Raoult s’applique et lorsque les deux liquides (diluant et solvant) sont parfaitement non miscibles. Dans ce cas la variation de y en fonction de x est une droite dont le coefficient directeur est le coefficient de partage.

6)Choix d'un extracteur liquide-liquide :

La détermination du contacteur optimal à un procédé défini est un problème complexe.

En effet, ce choix doit prendre en compte :

• des contraintes liées aux propriétés physiques du système : masse volumique, viscosité, tensions interfaciales ...
• des contraintes liées à la thermodynamique du transfert : débit et concentrations des phases;
• des contraintes liées à la cinétique du transfert : temps de séjour des phases, aires interfaciales de contact;
• des contraintes industrielles : de conception (fiabilité d'extrapolation), de construction (faisabilité des appareils), économiques (coûts des immobilisations, d'exploitation et d'entretien), opératoires (facilité d'exploitation et d'entretien, souplesse et adaptivité aux variations commerciales).

Il existe des tableaux de comparaison qualitative des extracteurs liquide-liquide , fondés essentiellement sur les contraintes résultant du système des phases et sur les caractéristiques essentielles des extracteurs. On utilise ces tableaux pour effectuer une présélection des appareils. Ces derniers devront ensuite être comparés sur des critères industriels en atelier pilote. Malheureusement leur classement diffère presque toujours selon le critère retenu (constructif, opératoire ou économique) ainsi que d'après leur fiabilité d'extrapolation, le choix sera un compromis empirique relevant plus d'une expérience individuelle que d'une analyse rigoureuse difficile à faire.

7)Applications industrielles :

L'essor industriel des procédés d'extraction liquide-liquide en chimie minérale a son origine dans les besoins de l'industrie nucléaire en sels de pureté exceptionnelle. Au cours de la période 1960-1970 on a assisté à l'application généralisée de cette technique à l'hydrométallurgie, favorisée par la mise au point d'un complexant spécifique du cuivre (chélate). Actuellement fonctionnent 200 unités industrielles hydrométallurgiques, assurant la récupération, la séparation et la purification de très nombreux métaux.

De plus l'extraction liquide-liquide est appliquée à la fabrication de l'acide phosphorique très pur, du brome, du nitrate e potassium, et des acides nitrofluorydriques.

En chimie organique, les applications sont aussi nombreuses et importantes tant au point de vue quantitatif (pétrochimie) que qualitatif (industries alimentaires et pharmaceutique, récupération des polluants dans des effluents d'usine).

 

Introduction :Parmi les méthodes de séparation les plus utiliser est l’extraction liquide- liquide qui est basée sur le transfert de la matière , supposée à extraire , d’une solution à une autre , bien sur avec beaucoup de condition qu’il faut mettre en évidence .

1)  But du TP :

 Séparer les deux constituants du mélange binaire eau-aniline.

Les deux constituants de ce mélange ne sont pas séparables directement par rectification car, bien que leurs températures d’ébullition soient très différentes (aniline : 56°C et eau 100°C), ils forment un azéotrope, ce qui rend impossible leur séparation par distillation.

On séparera donc l’aniline et l’eau par extraction liquide-liquide, le solvant utilisé étant de l’eau.

On obtiendra ainsi une phase aqueuse contenant la presque totalité de l’aniline et l’on séparera.

 

	__NH2

 

2)  Réactifs et matériel utilisés :

 

ü  Aniline.   à     

ü  Eau distillée H₂O.

ü  Ampoule à décanter.

ü  Plaques CCM.

ü  Propanone (acétone).

ü  Ether de diéthilique(T°_eb) CH₃-CH₂-O-CH₂-CH₃ .

ü  Béchers (pour la récupération de l’aniline et de l’eau).

 

3)  Mode opératoire :

 

On réalise le montage suivant :

 

- l’ampoule est posée sur un anneau métallique fermement fixé à un support. On placera l’ampoule suffisamment haut pour permettre de placer des récipients pour récupérer les solvants. 

- le robinet de l’ampoule devra être graissé si celui-ci est en verre. Dans ce cas, on ne mettra que la quantité minimale de graisse de façon à minimiser la contamination de l'échantillon. De plus, en cas d'excès de graisse et si l'on extrait une solution fortement basique, il peut se former des émulsions difficiles à éliminer qui résultent de la formation de savon par saponification de la graisse par le milieu basique. 

- l’ampoule ne doit pas être remplie au-delà de deux tiers de son volume pour permettre une bonne agitation et diminuer le risque de surpression. 

- il est toujours bon de placer un bécher sous l’ampoule entre les opérations de récupérations des différentes phases. Si le robinet fui, le liquide ne sera pas perdu.

De même, on placera un bécher sous l’ampoule lors de remplissage de celle-ci. Si le robinet est ouvert, le liquide ne sera pas perdu.

Il arrive en effet au meilleur chimiste d’oublier de vérifier que le robinet est bien fermé.

 - On verse la solution à extraire dans l’ampoule à décanter à l’aide d’un entonnoir. On ajoute ensuite le solvant d’extraction de la même façon.

 - On bouche l’ampoule et on la sort de son support. On place alors la paume d’une main sur le bouchon, les doigts enserrant le goulot de l’ampoule.

L’autre main tient l’allonge de l’ampoule, près du robinet de façon à pouvoir ouvrir celui-ci rapidement en cas de surpression.

 - On ouvre alors le robinet en pointant l’ampoule vers une parie dégagée de la pièce… Même si vous n’aimez pas la personne en face de vous, ne pointez jamais une ampoule vers lui, ou elle.

Ce premier dégazage effectué, on agite vigoureusement l’ampoule pendant une vingtaine de seconde. On procède alors à un nouveau dégazage.

 - On répète ce cycle agitation/dégazage jusqu’à ce qu’à ce que plus aucune surpression ne se manifeste à l’ouverture du robinet.

On replace l’ampoule sur son support, on ôte le bouchon et on laisse la décantation s’effectuer.

 - On sépare les deux phases, dans des béchers de taille convenable et marqués.

 Une question qui revient souvent en manipulation est : « Qu’elle phase est au-dessus et laquelle est au-dessous ? »

Pour le savoir, on peut verser quelques gouttes d’eau distillée dans l’ampoule et suivre le trajet de ces gouttes…ou il faut juste savoir la densité des deux solvants (dans cette manip d_C4H10O<H₂o donc l’eau se place au dessus ).

On peut alors recommencer l’extraction de la même façon, autant de fois que nécessaire.

 Les phases organiques sont rassemblées et séchées avec un agent desséchant approprié.

v  Préparation de mélange :On prépare un Becher de 500ml, en mettant dedans 10ml d’eau 10ml d’éther ethylique et 0.5ml d’aniline,ce dernier est un composé de polarité moyenne . 

A)On fait l’agitation manuelle afin d’avoir une solution homogène contenant de l’eau et de l’aniline et pour prendre dareference de la solution mère on prend avec une micro Pipette une goutte (ul) de la solution, la mise sur une plaque CCM Cette dernier est passée dans une cuve chromatographique qui possède Éluant (toluène) qui fait entraîner d’aniline le long de la plaque (2.5cm) Après la révélation ;en peut voir la trace des taches sur la plaque.   

B) maintenant on verse le contenu du bêcher dans une ampoule à décanté (le robinet et fermé),on ajoute l’éther qui est immiscible  avec la solution mère après on fait l’agitation mécanique et Chaque fais on ouvre un peu le robinet pour le dégazage.

-Après 2minute les deux phases se distingue on récolte chaque Phase (A et B)  dans deux béchers différents par décantation, pour prouver l’existence de l’aniline dans B on procède la technique chromatographique et les résultats obtenus sont dans la figure , on refait l’expérience plusieurs fois jusqu'à la disparition de la tache sur la plaque de CCM qui indique la présence de l’aniline dans la phase A. 

la plaque CCM utilisée fait montrer l’existence de l’aniline dans

 la solution mère (phase A) et dans la solution d’éther (phase B)

4)  Les émulsions

 

Certains solvants (le dichlorométhane, le chloroforme, le trichloroéthylène...) peuvent former avec l’eau des émulsions lors de l'agitation dans l'ampoule à décanter. Se retrouver avec une émulsion est déjà arrivé à tous les chimistes et chacun a ses petits trucs et astuces pour tenter de s'en débarrasser (de la plus ingénieuse jusqu'à la plus vache qui consiste à refiler la manip en question à un petit stagiaire... ; )).

Voici quelques petites recettes qui peuvent, ça ne marche pas toujours, permettre de casser l'émulsion.

- Laisser reposer l'émulsion très, voire très très longtemps... et le résultat n'est pas garanti. Parfois quelques semaines peuvent être nécessaires.

- Filtrer l'émulsion sur un filtre en verre fritté. L'utilisation d'un filtre classique en papier donne aussi de bons résultats.

- Essayer de rajouter du chlorure de sodium pour saturer la phase aqueuse, ou alors rajouter une solution saturée en NaCl dans l'ampoule. Agiter doucement les deux phases et laisser décanter.

- Essayer de briser l'émulsion à l'aide d'une baguette en verre ou en métal en écrasant l'émulsion contre les parois d'un récipient (ampoule à décanter, erlenmeyer, bécher...)

- Filtrer l'émulsion sur un filtre hydrophobe qui ne laissera passer que la phase organique. 

Et si jamais l'émulsion refuse de se casser, il est toujours possible de rajouter un peu de solvant organique dans l'ampoule, d'agiter doucement, laisser décanter avant de soutirer ce que l'on peut. En recommençant plusieurs fois cette manip on épuise peut à peut l'émulsion ce qui permet de récupérer la majorité de la molécule attendue. 

Enfin, si une partie de l'émulsion se retrouve dans la phase organique, pas de panique. Il suffira de bien sécher celle-ci sur du sulfate de sodium (ou de magnésium) anhydre.

 

5)  Résultats obtenus par CCM et exploitation:

A	(equi1) A↔B	(equi2) A↔B	(equi3) A↔B	(equi4) A↔B

Resultat :

D’après les expériences réalisées , on constate que l’aniline est a peu prés totalement extraite de la phase A, et se trouve complètement t dans la phase B cette dernière et avec la distillation on la sépare facilement.Donc l’extraction liq-liq est une bonne technique de séparation basée sur le passage de la substance à extraire d’une phase a une autre.

Conclusion :

L’extraction liquide – liquide reste l’une des méthode utiliser au labo malgré qu’elle présente quelques inconvénients tel que l’épuration ne soit pas vraiment a 100%