ENTRAÎNEMENT A LA VAPEUR D'EAU
ET HYDRODISTILLATION
1) Etude
théorique.
1-1) Généralités.
L’entraînement à la vapeur d'eau et l'hydrodistillation sont des méthodes de séparation des
constituants de mélanges organiques
liquides ou solides, insolubles dans l'eau
.
- Hydrodistillation : C'est la distillation
d'un mélange hétérogène d'eau et d'un liquide organique.
- Entraînement à la vapeur
d'eau : C'est l'injection de vapeur d'eau dans un liquide organique. Ce
dernier est chauffé par la vapeur d'eau puis distillé avec elle ; on dit
qu'il est entraîné dans la vapeur.
1-2) Principe.
Soit A le corps organique à purifier ou A et B les corps
organiques à séparer.
- Le mélange des deux liquides A et l'eau (non miscibles)
sous la pression atmosphérique est en équilibre avec sa vapeur à la température
T1 . La pression partielle de vapeur de
chacun des composés est :
- indépendante de la
composition du liquide ;
- égale à la pression de
vapeur saturante de chacun des composés pris séparément à la température T1 .
pA = p0A
et pH2O = p0H2O
De ce fait, lorsqu'on distille un tel mélange, on constate que :
- sous une pression
imposée pimp , le mélange bout à une température constante Tm
, indépendante de sa composition, et telle que : pimp
= pA + pH2O = p0A
+ p0H2O
- la composition xmA de la vapeur émise par le
liquide du bouilleur reste constante pendant l' ébullition
jusqu'à épuisement d'un des deux composés.
L'étude théorique précédente permet de conclure que :
- l’entraînement à la
vapeur est justifiable si le corps à entraîner a une tension de vapeur non
négligeable à la température d'entraînement ;
- si le mélange contient 2
produits non miscibles au corps entraîneur (eau), ils ne peuvent être
entraînés sélectivement que si leurs tensions de vapeur sont très
différentes.
Une étude théorique plus poussée permet d'établir la composition des vapeurs
émises donc du distillat obtenu.
Cette relation porte le nom de rapport d'entraînement.
m : masse du composé distillé.
M : masse molaire du composé.
Cette relation montre que la masse molaire du composé à
entraîner ne doit pas être trop faible.
L'opération comporte quatre étapes.
- Envoyer un jet de vapeur
d'eau dans le mélange à purifier.
- Obtenir l'ébullition du
mélange par la vapeur et le distiller avec elle.
- Condenser la vapeur
obtenue par refroidissement, ce liquide constitue le distillat.
Il est parfois appelé " hétéroazéotrope "
ou " pseudo-azéotrope ".
- Séparer A de l'eau à
partir du distillat.
En pratique, si A est entraînable par la vapeur d'eau, trois caractéristiques
sont à retenir :
- la température d'ébullition
du mélange est inférieure à celle du constituant le plus volatil ;
- la température d'ébullition
du mélange reste constante pendant toute l'bullition
jusqu’à disparition totale de l'un des deux
composés ;
- la température d'ébullition
du mélange est indépendante de sa composition.
Cette technique peut être appliquée à des corps organiques :
- dont la température d'ébullition
est élevée ;
- qui se décomposent avant
d'atteindre leur température d'ébullition si celle-ci est supérieure à
100°C. En effet la température d'ébullition du mélange sera inférieure à
100°C puisque l'eau est dans ce cas le composé le plus volatil.
1-3) Applications.
Les principales applications sont les suivantes :
- isolement des huiles
essentielles de plantes, pour une utilisation en pharmacie, en parfumerie
ou pour l'industrie alimentaire ;
- isolement ou élimination
d'un composé organique situé dans un milieu très hétérogène, difficile à
distiller directement ou à extraire par un solvant ;
- distillation d'un composé
cristallisé assez volatil.
Le choix entre les deux techniques, hydrodistillation
ou entraînement à la vapeur d'eau, dépend de l'équipement du laboratoire, de la
quantité et de la nature du produit à distiller.
L'hydrodistillation convient très
bien lorsque l'entraînement du composé organique nécessite une faible quantité d'eau.
Dans les autres cas on lui préfère l'entraînement à la vapeur.
Les avantages de l'entraînement à la vapeur sont :
- une bonne agitation liée
au barbotage de la vapeur ; la pierre ponce ou l'agitation sont inutiles ;
- la rapidité de l'opération,
la recharge en eau étant inutile.
1-4) Technique de l’hydrodistillation.
L’appareil à hydrodistiller est un appareil pour distillation simple auquel il est utile d’ajouter :
- une ampoule de coulée
pour une recharge éventuelle en eau en cours de la distillation ;
- un système d’agitation
efficace (magnétique ou mécanique), pour avoir une meilleure répartition
entre les deux phases et une ébullition plus régulière.
1-5) Technique de l'entraînement à la vapeur d'eau.
L'appareil à entraînement à la vapeur est un appareil pour
distillation simple auquel il est utile d'ajouter :
- Une chaudière annexe contenant
de l'eau distillée qui donnera la vapeur. Cette chaudière sera fermée par
un bouchon muni d'un tube adducteur de vapeur et d’un tube de garde
pour équilibrage des pressions en fin de chauffage. Ce tube de garde sera
ouvert en fin de manipulation afin d'éviter le siphonnage
du bouilleur.
- Le bouilleur sera équipé
d'un tube adducteur de vapeur plongeant au fond (le plus bas possible). Un
peu d'eau sera placée dans le bouilleur avec le mélange organique. Un
léger chauffage du bouilleur évitera une condensation trop importante de
la vapeur d'eau au départ. On préchauffe donc légèrement avant d'envoyer
la vapeur et on supprime ce chauffage dès qu'on envoie la vapeur.
- On s'aperçoit que
l'opération est terminée lorsque le thermomètre placé en tête de colonne,
remonte vers 100°C, température d'ébullition de l'eau sous la pression
atmosphérique normale.
2) Manipulation.
Purifier 75 mL de bromobenzène C6H5Br par entraînement à la
vapeur d'eau.
Contrôler la température en tête de colonne.
Mesurer le volume de distillat obtenu.
Décanter, pour ne conserver que la phase organique
constituée du bromobenzène pur.
Sécher le produit obtenu avec du chlorure de calcium anhydre
CaCl2 .
Mesurer le volume de bromobenzène
obtenu.
Présenter le distillat dans un flacon bouché et étiqueté.
Données :
Eau : Teb760
= 100°C; d = 1
Bromobenzène: Teb760 = 156,2°C;
d = 1,4950; n = 1,5597
soluble dans l'alcool,
l'éther, le benzène.
Inflammable et irritant pour la peau;nocif
pour l'environnement.
3) Compte rendu.
- Schématiser le montage utilisé pour réaliser cet
entraînement à la vapeur d'eau.
- Donner la température de passage des vapeurs en tête de
colonne, le volume de distillat recueilli et le volume de bromobenzène
recueilli, interpréter la différence s'il y a lieu.
- Calculer le rendement de cette opération.
- Quand avez-vous su que l'entraînement était terminé ?
- Comparaison avec une distillation sous pression réduite.
On trouve dans le Handbook la température d'ébullition
du bromobenzène en fonction de la pression ; les
valeurs sont les suivantes :
|
Température |
2,9 |
40 |
68,6 |
90,8 |
132,3 |
156,2 |
|
Pression P |
1 |
10 |
40 |
100 |
400 |
760 |
- Tracer sur
papier millimétré la courbe q (P) et
chercher à quelle pression il aurait fallu opérer pour purifier le bromobenzène à la même température par distillation.
- Quelle est la structure de la molécule de bromobenzène ?
4) Matériel et Produits.
Matériel
par poste :
1 ballon de 1L avec bouchon , 2 caoutchoucs et une pince de Mohr (chaudière productrice de vapeur)
1 ballon de 500mL à trois cols rodés
1 barboteur adapté au ballon de 500
1 tête de colonne
1 réfrigérant droit
1 allonge coudée
2 erlenmeyers 1 de 100 mL 1 de 250mL
clips et pince à rodage
1 grand anneau + planchette
1 bassine plastique pour glace
1 thermomètre -10-200 °C
1 élévateur + 1 chauffe-ballon .
1 éprouvette graduée de 100 mL
1 ampoule à décanter de 250mL
1 petit anneau support de l’ampoule.
1 flacon bouché de 125mL.
Produits
:
2,5L de bromobenzène de
récupération ou technique
Chlorure de calcium anhydre.