Video Transcript
Dans cette vidéo, nous allons découvrir la distillation, une technique expérimentale utilisée pour séparer et purifier des liquides. Nous allons apprendre comment cette technique fonctionne, comment mettre en place des expériences de distillation, ainsi que comment est couramment utilisée la distillation dans le laboratoire de chimie et dans l’industrie.
La distillation est une technique utilisée pour séparer les liquides par leur point d’ébullition. Prenons, par exemple, un mélange d’eau et d’éthanol. Comme vous le savez, le point d’ébullition de l’eau est de 100 degrés Celsius et celui de l’éthanol est un peu plus bas, à 78 degrés Celsius. Si nous chauffons ce mélange, il finira par bouillir. Rappelez-vous que l’ébullition est le processus par lequel une substance sous forme liquide se transforme en gaz. Si nous pouvions examiner ce processus au niveau atomique, nous verrions que lorsque nous chauffons le liquide, certaines des molécules du liquide gagnent suffisamment d’énergie pour s’échapper du liquide et se transformer en gaz.
Puisque le point d’ébullition d’une substance reflète la quantité d’énergie dont les molécules de cette substance ont besoin pour échapper du liquide et devenir un gaz, lorsque nous avons un mélange de liquides (comme c’est le cas avec notre mélange d’eau et d’éthanol), et que notre mélange bout, les molécules les plus susceptibles d’échapper en premier du liquide et de devenir un gaz seront celles qui ont le point d’ébullition le plus bas, dans ce cas l’éthanol. C’est ainsi que la distillation peut séparer les liquides par leur point d’ébullition. Le composant de notre mélange avec le point d’ébullition le plus bas deviendra un gaz le premier. Et par conséquent, nous pourrons le séparer du reste des composants de notre mélange. Voici donc la théorie derrière les expériences de distillation. Voyons maintenant comment nous pourrions mettre en place une expérience de distillation.
Dans cette vidéo, nous allons voir deux configurations expérimentales de distillation. La première est la distillation simple, et la seconde sera la distillation fractionnée. La distillation simple fonctionne mieux lorsque les composants de notre mélange ont de grands écarts entre leurs points d’ébullition, de l’ordre de 50 degrés Celsius ou plus. Elle convient également à la purification d’un liquide contenant un solide dissout. C’est ainsi par exemple, que nous créons de l’eau distillée. Nous sommes capables d’obtenir de l’H2O pure sans aucun des sels et des minéraux contenus dans l’eau normale du robinet.
Le montage expérimentale de la distillation comporte pas mal de pièces en verre, alors passons en revue toutes les pièces une par une. La première pièce de verrerie est un ballon de distillation. Celui-ci contiendra l’échantillon que nous voulons distiller ainsi que des pierres d’ébullition afin que l’échantillon bouille calmement et qu’il n’y ait aucune éruption violente de bulles. La prochaine pièce de verrerie est un adaptateur à trois voies. À une extrémité de l’adaptateur, nous aurons un thermomètre et un bouchon pour maintenir le thermomètre en place. Et à l’autre extrémité de l’adaptateur, nous allons fixer une pièce de verrerie appelé condenseur, qui ressemble à un long tube de verre avec un plus petit tube de verre à l’intérieur.
À l’autre extrémité du condenseur, nous allons connecter un autre adaptateur. Et puis nous avons notre dernière pièce de verrerie, un autre ballon que nous utiliserons pour prélever notre échantillon une fois la distillation terminée. Une fois que tout est mis en place, nous allons fixer deux tuyaux en caoutchouc au condenseur, l’un au niveau de l’entrée de l’eau dans le condenseur et l’autre au niveau de la sortie de l’eau du condenseur. Cela fera circuler de l’eau froide à l’intérieur du condenseur. Ainsi, lorsque la vapeur que nous distillons atteint le condenseur, elle se condensera de nouveau en un liquide que nous pourrons récupérer. Enfin, nous aurons besoin d’une source de chaleur. Pour les expériences de distillation, il s’agit généralement d’un bain de sable, d’un bain d’huile ou d’un pistolet thermique. Il n’est pas très courant d’utiliser des becs Bunsen dans des expériences de distillation, car nous distillons souvent des liquides organiques très inflammables.
Lorsque nous sommes prêts à commencer la distillation, nous pouvons allumer la source de chaleur. Après un certain temps, notre échantillon va commencer à bouillir. Il est possible que nous apercevions de la vapeur se condensant sur les côtés du ballon de distillation, mais nous ne verrons pas encore une augmentation de température. En effet, le thermomètre ne mesure pas la température de la solution pendant cette expérience. Il va mesurer la température de la vapeur qui arrive au thermomètre, raison pour laquelle nous avons placé l’ampoule du thermomètre près du condenseur.
À mesure que la solution continue son ébullition, nous verrons la condensation se former sur les côtés de l’adaptateur, ce qui entraînera une augmentation de la température. Ensuite, nous commencerons à voir un liquide se condenser à l’intérieur du condenseur, qui finira par tomber dans le ballon de récupération. Nous voulons être sûrs d’enregistrer l’intervalle de température pendant laquelle nous voyons des gouttes tomber dans le ballon de récupération, car il s’agira du point d’ébullition du liquide que nous récupérons. Nous voulons également surveiller la vitesse de récupération de notre liquide. Si nous récupérons trop vite, cela signifie que nous n’obtiendrons pas une bonne séparation. Une vitesse d’environ une goutte par seconde est celle qui convient.
Nous pouvons arrêter de distiller lorsque nous observons un changement de température. Une diminution de la température indiquerait que nous avons fini de distiller le composant que nous sommes en train de récupérer, et que la vapeur n’arrive plus au thermomètre. Une augmentation de température indiquerait que nous avons commencé à récupérer le composant suivant du mélange qui a un point d’ébullition plus élevé. Nous voudrons également arrêter la distillation si le niveau de notre liquide devient trop bas, car une ébullition à sec peut entraîner des réactions secondaires dangereuses.
La prochaine configuration que nous allons voir est la distillation fractionnée. La distillation fractionnée est capable de séparer les composants d’un mélange dont les points d’ébullition sont plus proches les uns des autres. Par exemple, la distillation fractionnée pourrait être utilisée pour séparer le mélange d’éthanol et d’eau dont nous parlions au début de la vidéo. Le montage pour la distillation fractionnée est identique à celui que nous avons vue pour la distillation simple. La seule différence est la présence d’une autre pièce de verrerie appelée colonne de fractionnement. Cette colonne peut être un tube de verre avec quelques bosselages à l’intérieur, ou bien rempli de billes de verre ou de laine d’acier. Mais le contenu de la colonne n’est pas si important. Ce qui est important, c’est que le remplissage la colonne augmente la surface de contact.
Ainsi, lorsque notre solution bout, l’augmentation de la surface à l’intérieur de la colonne de fractionnement a pour effet d’entraîner une recondensation de la vapeur à l’intérieur de la colonne. Le fait que la vapeur se recondense est la raison pour laquelle la distillation fractionnée conduit à une meilleure séparation que la distillation simple. Après la recondensation de la vapeur, il sera plus facile pour les composants de notre mélange avec des points d’ébullition inférieurs de se transformer en vapeur et d’être récupérés dans le ballon de récupération. Comme la distillation fractionnée est meilleure pour séparer les composants d’un mélange, elle est souvent utilisée pour séparer plus d’un composant. Chaque composant séparé est appelé une fraction.
Nous pouvons dire quand nous récupérons une nouvelle fraction en surveillant de près le thermomètre pendant l’expérience. A la fin de la distillation d’une fraction ou d’un composant, vous devriez voir la température diminuer lorsque la vapeur de ce composant cesse d’arriver au thermomètre. Ensuite la température augmentera lorsque vous commencerez à récupérer une nouvelle fraction ou un nouveau composant qui a un point d’ébullition plus élevé. Mais vous ne verrez pas toujours une baisse de température avant que la température augmente, soyez donc très attentifs à la température pendant l’expérience.
La distillation fractionnée est utilisée tout le temps dans les laboratoires de chimie avant et après la réalisation d’expériences. Elle peut être utilisée pour créer des réactifs purs. Et elle peut être utilisée pour obtenir un produit souhaité, en le séparant du solvant dans lequel la réaction a eu lieu. Mais la distillation fractionnée est également utilisée tout le temps dans l’industrie. Voyons quelques exemples.
Une utilisation extrêmement courante de la distillation fractionnée dans l’industrie est la séparation du pétrole brut. Le pétrole brut est composé d’un mélange de différents hydrocarbures, qui sont des composés contenant à la fois de l’hydrogène et du carbone. Nous pouvons séparer ce mélange d’hydrocarbures en les différents types d’hydrocarbures qui le composent, obtenant des éléments comme l’essence, le diesel, le kérosène, les lubrifiants et de nombreux autres produits chimiques.
La distillation fractionnée peut également être utilisée pour séparer l’air en gaz d’oxygène et d’azote purs. Pour ce faire, l’air est d’abord compressé en un liquide. Puis tous les autres gaz et impuretés sont filtrés. Ensuite, vous vous retrouvez avec un mélange d’oxygène liquide et d’azote liquide. Ce mélange est ensuite pompé dans un réservoir. Étant donné que l’oxygène bout à moins 183 degrés Celsius et que l’azote a un point d’ébullition inférieur à moins 196 degrés Celsius, lorsque le mélange d’oxygène et d’azote est pompé dans le réservoir, l’azote se convertira en gaz le premier. L’azote gazeux pur peut alors être retiré du réservoir. Et l’oxygène liquide pur restant peut alors être retiré et chauffé jusqu’à ce qu’il redevienne un gaz.
Le dernier exemple de distillation fractionnée utilisé dans l’industrie que nous allons examiner est la production d’éthanol. Ce processus est utilisé pour créer de l’éthanol pur, qui est utilisé dans les laboratoires de chimie. Il est utilisé pour créer des biocarburants. Il est aussi utilisé dans l’industrie des alcools forts pour produire des alcools comme la vodka et le whisky. L’éthanol est produit par un organisme unicellulaire appelé la levure. La levure aime manger du sucre. Et quand elle le fait, elle produit du dioxyde de carbone et de l’éthanol. Si la levure continue de manger du sucre et à produire du dioxyde de carbone et de l’éthanol, la concentration d’éthanol augmentera, ce qui tue la levure et donne une solution contenant environ 14 à 18 pour cent d’éthanol.
Donc, si nous voulons une solution qui a une concentration d’éthanol plus élevée que cela, nous devons effectuer une distillation de la solution. Cela peut être facilement obtenu par distillation fractionnée, puisque nous séparerons l’éthanol de l’eau de la solution où la levure et le sucre auront été dissouts.
C’est donc tout ce que nous devons savoir sur la théorie de la distillation, comment monter une expérience de distillation, et les utilisations de la distillation fractionnée dans l’industrie. Voyons donc quelques exercices avant de terminer cette vidéo.
Le tableau qui nous a été donné montre les points d’ébullition de quatre liquides mélangés entre eux. Dans quel ordre chaque liquide serait-il récupéré si une distillation fractionnée était utilisée pour les séparer?
La distillation est une technique qui peut être utilisée pour séparer les liquides par leur point d’ébullition. La distillation fractionnée, en particulier, est excellente pour séparer les liquides dont les points d’ébullition sont quelque peu rapprochés, comme nous le voyons dans ce problème. Le point d’ébullition d’une substance est le reflet de la facilité avec laquelle les molécules de cette substance se transforment de liquide en gaz. Cela signifie que les liquides de notre mélange seront récupérés par ordre croissant de point d’ébullition, car les liquides ayant un point d’ébullition inférieur sont plus susceptibles de devenir des gaz en premier.
Donc, cela signifie que pour répondre à cette partie du problème, nous devons simplement arranger nos liquides selon l’ordre croissant de leur point d’ébullition. Le point d’ébullition le plus bas de notre liste est de 65 degrés Celsius, ce qui correspond au méthanol. Le plus bas suivant est de 77 degrés Celsius, ce qui correspond à l’éthanoate d’éthyle. Ensuite 98 degrés Celsius, qui est le point d’ébullition du 2-butanol. Et enfin notre point d’ébullition le plus élevé de 118 degrés Celsius, le point d’ébullition de l’acide éthanoïque. Donc, si nous distillons ce mélange de liquides, l’ordre de récupération sera méthanol, éthanoate d’éthyle, 2-butanol et enfin acide éthanoïque.
L’éthanol a un point d’ébullition de 78 degrés Celsius. Pourquoi la distillation fractionnée ne sépare-t-elle pas l’éthanol du mélange ?
Bien que la distillation fractionnée soit assez efficace pour séparer un mélange de liquides dont les points d’ébullition sont proches, elle n’est pas parfaite. Le point d’ébullition de l’éthanol, 78 degrés Celsius, est assez proche du point d’ébullition d’un autre liquide de notre mélange, l’éthanoate d’éthyle, qui a un point d’ébullition de 77 degrés Celsius. Puisque ces deux liquides ont un point d’ébullition aussi proche, ils bouillent à peu près au même moment, ce qui signifie que lorsque nous effectuons une distillation avec un mélange de ces deux liquides, nous les récupérons à peu près au même moment.
La distillation fractionnée n’est tout simplement pas capable de séparer des liquides dont les points d’ébullition ont un écart de seulement un degré Celsius. La raison pour laquelle la distillation fractionnée n’a pas pu séparer l’éthanol du mélange est donc que l’éthanol a un point d’ébullition très proche de celui de l’éthanoate d’éthyle.
Lors de la distillation, pourquoi le thermomètre est-il placé en haut de la colonne plutôt que dans la solution ?
Ici, nous avons deux montages de distillation similaires. Il y a un ballon de distillation qui contient l’échantillon, une colonne de fractionnement, un adaptateur, un condenseur, un autre adaptateur, un deuxième ballon pour récupérer le liquide qui a été distillé, et enfin une source de chaleur. La seule différence entre ces deux montages est que, sur celui de gauche, le thermomètre est placé en haut de la colonne et sur celui de droite, le thermomètre est placé dans la solution. Afin de déterminer pourquoi il serait préférable de placer le thermomètre en haut de la colonne plutôt que dans la solution, réfléchissons à ce que le thermomètre mesurerait dans chaque cas.
Si le thermomètre est placé dans la solution, il va mesurer la température de la solution. Puisque la température d’une solution ne change pas lorsqu’elle bout, elle sera en fin de compte constante pendant l’expérience une fois que la solution arrive à ébullition. Si le thermomètre est placé en haut de la colonne, il n’y aura aucun moyen de mesurer la température de la solution. Il est tout simplement trop loin. Au lieu de cela, il pourra mesurer la température de la vapeur après que le liquide ait commencé à bouillir, se soit converti en gaz, et soit remonté le long de la colonne.
Donc, que voulons-nous mesurer au cours d’une expérience de distillation ? La température de la vapeur ou la température de la solution ? Comme nous l’avons déjà dit, la température de la solution sera constante pendant l’expérience. Mais si nous avons le thermomètre placé en haut de la colonne, la mesure de la température changera tout au long de l’expérience. La température augmentera lorsque la vapeur arrivera en haut de la colonne et que nous commencerons à récupérer du liquide. Si nous constatons alors une diminution de la température, cela signifie que le composant que nous sommes en train de récupérer a fini d’être distillé et que sa vapeur n’arrive plus au thermomètre.
Et si nous constatons une augmentation de la température, cela indique qu’un nouveau composant du mélange qui a un point d’ébullition plus élevé a commencé à être distillé. Ainsi, en mesurant la température de la vapeur à la place de celle de la solution, nous pouvons obtenir beaucoup plus d’informations tout au long de l’expérience. Nous plaçons donc le thermomètre en haut de la colonne plutôt que dans la solution lorsque nous effectuons une expérience de distillation, afin de mesurer la température de la vapeur.
Maintenant, concluons cette vidéo avec les points clés de ce sujet. La distillation est une technique qui sépare les liquides par leur point d’ébullition. Lorsque nous effectuons une expérience de distillation pour séparer des liquides, les composants du mélange sont récupérés dans l’ordre croissant de leurs points d’ébullition. Ainsi, les liquides de nos mélanges qui ont le point d’ébullition le plus bas vont sortir en premier.
Une distillation simple peut être utilisée pour séparer les liquides qui ont de grandes différences entre leurs points d’ébullition. Elle peut également être utilisée pour purifier une solution contenant un solide dissous dedans. La distillation fractionnée peut être utilisée pour séparer des liquides dont les points d’ébullition ont des écarts plus petits. La distillation fractionnée est également utilisée dans l’industrie pour séparer le pétrole brut, pour séparer les gaz, par exemple dans la séparation de l’air en oxygène pur et en azote pur, et pour produire de l’éthanol.
