Extraction par solvant et miscibilité : cours de 1re spécialité

Dans la vie courante, tu rencontres des mélanges dont on veut isoler un constituant : la caféine d'un café, un arôme d'une plante, un colorant d'une solution, un médicament produit par une synthèse. Souvent, l'espèce qui t'intéresse est dissoute dans un liquide, et tu ne peux pas la récupérer simplement en filtrant : il n'y a pas de solide à retenir.

Une solution classique consiste à utiliser un second liquide, un autre solvant, qui va « attirer » l'espèce à lui. C'est le principe de l'extraction par solvant. Le programme de première en spécialité physique-chimie en fait un objet d'étude : il s'agit d'expliquer ou de prévoir la solubilité d'une espèce chimique dans un solvant, d'étudier la miscibilité de deux liquides, puis d'interpréter et de mettre en œuvre un protocole d'extraction liquide-liquide ¹².

Ce cours s'appuie sur ce que tu as déjà vu dans le chapitre : la géométrie des molécules, l'électronégativité et la polarité, la cohésion des solides ioniques et moléculaires, puis la dissolution et la solubilité. Il va les réunir pour répondre à des questions concrètes :

• deux liquides se mélangent-ils, ou restent-ils séparés ?
• une espèce est-elle plus soluble dans tel solvant que dans tel autre ?
• comment choisir le bon solvant pour extraire une espèce, et comment lire un protocole ?

La solubilité dépend de trois éléments : l'espèce dissoute, le solvant choisi et la température. Une même espèce peut donc être très soluble dans un solvant et presque insoluble dans un autre. Le programme demande justement de comparer la solubilité d'une espèce solide dans différents solvants ². C'est cette différence qui rend l'extraction possible : si l'espèce avait la même solubilité partout, aucun transfert ne serait avantageux.

Le programme demande d'expliquer ou de prévoir la solubilité d'une espèce chimique dans un solvant ¹². Pour cela, tu raisonnes en termes d'interactions entre les entités de l'espèce dissoute et celles du solvant. Dissoudre, c'est remplacer les interactions qui tenaient ensemble les entités de l'espèce par de nouvelles interactions avec le solvant. Si ces nouvelles interactions sont aussi favorables que les anciennes, la dissolution a lieu facilement.

Prenons l'eau, solvant très polaire qui forme des liaisons hydrogène. Une espèce ionique comme le chlorure de sodium s'y dissout bien : les ions sont entourés de molécules d'eau qui les stabilisent. Une molécule apolaire comme le diiode ou un hydrocarbure ne peut établir avec l'eau que des interactions faibles, alors que les molécules d'eau, elles, s'attirent fortement entre elles : la dissolution est défavorable et la solubilité reste très faible.

À l'inverse, un solvant apolaire comme le cyclohexane n'interagit que faiblement avec les ions, qui restent solidement liés les uns aux autres dans le cristal. Il dissout très mal les solides ioniques, mais accueille volontiers les molécules apolaires.

La miscibilité se raisonne comme la solubilité : on compare les interactions que les molécules de chaque liquide établissent entre elles avec celles qu'elles pourraient établir avec l'autre liquide.

• Eau et éthanol : les deux liquides sont polaires et capables de liaisons hydrogène. Les molécules de l'un s'insèrent facilement parmi celles de l'autre : ils sont miscibles.
• Eau et cyclohexane : l'eau est très polaire, le cyclohexane apolaire. Les molécules d'eau préfèrent rester entre elles et le cyclohexane reste de son côté : ils ne sont pas miscibles.
• Cyclohexane et un autre hydrocarbure : deux liquides apolaires, de nature voisine, se mélangent sans difficulté.

Le raisonnement suit un déroulé simple. L'espèce à extraire est dissoute dans un solvant A (par exemple l'eau). On ajoute un solvant B non miscible avec A : on obtient deux phases. On agite, ce qui augmente la surface de contact entre les phases. L'espèce se répartit alors entre A et B, et elle se retrouve en plus grande quantité dans le solvant où elle est la plus soluble.

On laisse reposer : les deux phases se séparent de nouveau. On récupère la phase qui contient l'espèce, que l'on appelle la phase organique lorsque B est un solvant organique.

Pourquoi la seconde condition est-elle indispensable ? Imagine une espèce qui a la même solubilité dans A et dans B : à l'équilibre, elle se répartit à parts à peu près égales, et la moitié reste dans A. Si elle est cent fois plus soluble dans B, presque tout passe dans B. Plus l'écart de solubilité est grand, plus l'extraction est efficace.

Le programme attend que tu saches lire un protocole d'extraction liquide-liquide en t'appuyant sur les solubilités de l'espèce dans chacun des deux solvants ². En pratique, on te fournit un tableau de valeurs et un protocole, et tu dois justifier chaque choix qui y figure.

Le programme demande aussi de choisir un solvant et de mettre en œuvre un protocole d'extraction ². Le choix suit une démarche logique : on élimine d'abord les solvants miscibles avec le solvant d'origine, puis on garde celui qui dissout le mieux l'espèce, puis on départage avec des critères pratiques.

Un autre intérêt de l'extraction : elle peut servir à purifier. Si l'espèce à isoler est soluble dans le solvant B alors que les impuretés restent dans A, la séparation des phases élimine les impuretés. Le choix du solvant devient alors un moyen de trier les espèces selon leur polarité.

On réalise l'extraction liquide-liquide dans une ampoule à décanter, un récipient en forme de poire muni d'un robinet à sa base et d'un bouchon en haut. Les deux phases non miscibles s'y superposent, et le robinet permet de soutirer la phase du dessous.