Extraction par solvant et miscibilité : exercices de 1re spé

On verse dans une ampoule à décanter $50$ mL d'une solution aqueuse, puis $50$ mL d'un solvant organique non miscible avec l'eau. On donne les masses volumiques : eau $1{,}00$ g/mL ; solvant organique $0{,}78$ g/mL.

1. Combien de phases observe-t-on ?
2. Laquelle est au-dessus, laquelle est en dessous ?
3. Dans quelle phase se trouve l'espèce à extraire si elle est bien plus soluble dans le solvant organique que dans l'eau ?

Trois élèves mélangent chacun deux liquides dans un tube à essais, agitent, puis laissent reposer.

• Tube 1 : on voit une seule phase limpide.
• Tube 2 : on voit deux couches séparées par une frontière nette.
• Tube 3 : on voit une seule phase légèrement trouble qui s'éclaircit en quelques secondes.

1. Pour quel(s) tube(s) les liquides sont-ils miscibles ?
2. Quel(s) tube(s) pourrai(en)t servir à une extraction liquide-liquide ? Justifie.

La solubilité d'une espèce solide $E$ dans un solvant $S$ vaut $20$ g/L à température ambiante. On dispose de $150$ mL de ce solvant.

Calcule la masse maximale de $E$ que l'on peut dissoudre, en grammes.

On veut extraire une espèce $E$ dissoute dans l'eau. On hésite entre trois solvants. Données (inventées) :

Solvant	Solubilité de $E$ (g/L)	Miscible avec l'eau ?
Eau	$2$
Solvant A	$40$	non
Solvant B	$1$	non
Solvant C	$60$	oui

1. Élimine les solvants qui ne conviennent pas, en justifiant.
2. Quel solvant retiens-tu ?
3. Calcule le rapport entre la solubilité de $E$ dans ce solvant et sa solubilité dans l'eau.

Une solution aqueuse contient $0{,}60$ g d'une espèce $E$. Le solvant d'extraction retenu, non miscible avec l'eau, dissout au maximum $12$ g/L de $E$.

1. Quelle masse de $E$ peut-on dissoudre dans $40$ mL de ce solvant ?
2. Cette quantité suffit-elle à accueillir les $0{,}60$ g ?
3. Calcule le volume minimal de solvant, en mL, qui pourrait dissoudre $0{,}60$ g de $E$.

Voici, dans le désordre, les gestes d'une extraction liquide-liquide d'une espèce $E$ dissoute dans l'eau :

• (a) Agiter l'ampoule en dégazant régulièrement, puis laisser reposer.
• (b) Verser la solution aqueuse puis le solvant d'extraction dans l'ampoule à décanter.
• (c) Ouvrir le robinet pour écouler la phase du dessous, puis recueillir l'autre phase.
• (d) Choisir le solvant d'après la miscibilité et les solubilités de $E$.

1. Remets ces gestes dans l'ordre.
2. Quelle étape justifie l'usage d'une ampoule à décanter ?

Un protocole prévoit d'extraire une espèce $E$ d'une solution aqueuse de $1{,}0$ L contenant $2{,}4$ g de $E$, avec le solvant organique S. On donne : solubilité de $E$ dans l'eau $3$ g/L ; dans S $48$ g/L. S est non miscible avec l'eau.

1. Justifie que S est un solvant d'extraction pertinent.
2. Quelle masse maximale de $E$ pourrait rester dissoute dans $1{,}0$ L d'eau ?
3. Calcule le volume minimal de S, en mL, nécessaire pour accueillir les $2{,}4$ g de $E$.

Un élève propose : « Pour extraire le diiode (espèce $E$) d'une solution aqueuse, j'ajoute de l'éthanol, car $E$ y est très soluble. Je secoue dans l'ampoule à décanter et je sépare les deux phases. » On sait que l'éthanol est miscible avec l'eau.

1. Quelle erreur de raisonnement l'élève commet-il ?
2. Que se passera-t-il dans l'ampoule ?
3. Propose une correction du critère de choix du solvant.

On étudie la solubilité d'un solide $E$ dans plusieurs solvants à température ambiante (valeurs inventées) : eau $5$ g/L ; solvant P $85$ g/L ; solvant Q $0{,}5$ g/L. P et Q sont non miscibles avec l'eau.

1. Classe les trois solvants du meilleur au moins bon solvant de $E$.
2. Lequel choisir pour extraire $E$ d'une solution aqueuse ? Justifie.
3. On dispose de $30$ mL du solvant retenu. Calcule la masse maximale de $E$ qu'il peut dissoudre, en grammes.