\chapter{Identification et synthèse d'espèces chimiques}

\section{Introduction}
\enlargethispage*{2em}
\begin{exointro}{Lycée Jules Ferry, Paris}
  Pour déceler la présence d'éventuels \index{colorant}colorants dans
  un sirop concentré sucré de menthe, on utilise la technique de
  séparation appelée chromatographie sur couche mince.  Pour ce faire
  on dépose une goutte de sirop sur la ligne de base d'un
  \index{chromatographie}chromatogramme. On y dépose aussi une goutte
  des colorants suivants : E140, E120, E102. On obtient le
  chromatogramme représenté ci-dessous :

\medskip

\parbox{\linewidth}{%
\begin{center}
\includegraphics[height=44mm]{289_261_10c_nechromacours}
\figcaption{Chromatogramme du sirop de menthe et de colorants.}
\end{center}
}
%\Break

\begin{questions}
\item Quel colorant a le plus grand rapport frontal ?
\item Quel est le colorant présent dans le sirop de menthe ? À votre
avis, quelle est sa couleur ?
\end{questions}
\vspace*{-2em}
\end{exointro}

Nous présentons dans ce chapitre diverses techniques destinées à
identifier ou synthétiser des espèces chimiques. En classe, elles
seront essentiellement abordées en Travaux Pratiques.

\section{Corps purs et mélanges}

\begin{defin}
  Un corps pur est une substance composée d'une seule espèce chimique.
\end{defin}

\begin{defin}
  Un mélange est une substance composée de plusieurs espèces chimiques.
\end{defin}

Corps pur et mélange sont donc opposés l'un de l'autre: une substance
chimique est soit un corps pur, soit un mélange, et ne peut être les
deux à la fois.

\begin{Exemples}
  \begin{itemize}
  \item Un cube de fer, de l'eau (quelle qu'en soit la forme: vapeur,
    liquide ou solide),  de l'aluminium, de l'azote, etc. sont des
    corps purs
  \item L'air, de l'eau salée, une émulsion eau et huile, etc. sont
    des mélanges
  \end{itemize}
\end{Exemples}

Les mélanges peuvent, en outre,  être soit homogènes, soit
hétérogènes.

\begin{defin}
  Un mélange est dit homogène si tous ses composants se trouvent dans
  la même phase, tandis qu'il est dit hétérogène si deux au moins de
  ses composants se trouvent dans des phases différentes.
\end{defin}

Notons qu'un mélange peut être constitué de différentes espèces
chimiques toutes en phase liquide (par exemple) et être pourtant un
mélange hétérogène, si ces phases liquides sont non-miscibles. C'est
le cas de l'émulsion eau-huile, qui est un mélange hétérogène.

Le mélange \og eau salée \fg est en revanche un mélange homogène, qui
ne comprend qu'une phase liquide.

\subsection{Un mélange particulièrement important: l'air}
L'air est constitué de plusieurs espèces chimiques. En volume et par
ordre décroissant, elles sont:
\begin{itemize}
  \item le diazote (N$_2$), qui en volume représente 78~\% de l'air;
  \item le dioxygène (O$_2$), qui représente 21~\% en volume;
  \item le $1$~\% restant est constitué d'autres gaz à l'état de
    trace.
    \begin{itemize}
    \item Parmi ceux-ci, le plus important est de loin l'argon (Ar),
      un gaz noble, qui représente $0{,}93$~\% de l'air en volume.
    \item Les autres gaz présents à l'état de trace sont l'ozone, le
      dioxyde de carbone CO$_2$ (dont la proportion en volume a
      presque doublé depuis le début de l'ère industrielle), la vapeur
      d'eau (dont la proportion est variable et dépend ---~par
      définition~--- du degré d'humidité de l'air), etc.
    \end{itemize}
  \end{itemize}

  Au niveau de la mer, la masse volumique de l'air à $15\;^\circ$C est
  de $1{,}225$~kg.m$^{-3}$. Cette masse volumique est très inférieure
  (de trois ordres de grandeur) à celle de l'eau liquide, qui est
  $1{,}00\times 10^3$~kg.m$^{-3}$.

  \begin{aretenir}
    L'air est composé en volume de $78$~\% de diazote et $21$~\% de
    dioxygène. Sa masse volumique est d'environ $1{,}2$~kg.m$^{-3}$ au
    niveau de la mer.
  \end{aretenir}

  \subsection{Composition massique d'un mélange}
  \begin{defin}
    La composition massique d'un mélange indique la proportion, en 
    masse, de chacune des espèces présentes dans le mélange.
  \end{defin}
  La composition massique d'un mélange est donc un ensemble de
  pourcentages, un par espèce, caractérisant le mélange. La somme du
  pourcentage de toutes les espèces du mélange doit bien entendu
  donner $100$~\%.


  \section{Identification d'espèces chimiques courantes}
  Nous résumons dans un premier temps des tests classiques d'espèces
  chimiques courantes. Dans un second temps nous présentons des tests
  physiques (c.-à-d. n'impliquant pas de réaction chimique) permettant
  de caractériser des espèces.

%%%% RETROUVEZ LA VIDEO DES 4 TESTS SUIVANTS...
\NathanLiveVideo[\PictoVideo\ Retrouvez les quatre tests suivants en vidéo avec \PictoNathanLive]{identification chimiques courantes}{}
  
\subsection{Test d'identification du dioxyde de carbone}
Pour identifier la présence de dioxyde de carbone (CO$_2$), qui est un
gaz incolore et inodore, on utilise le test à l'eau de chaux.

\vfil\hfil\textit{Voir illustration page suivante.}

\newpage

\begin{center}
\includegraphics{292_eaudechaux}
\end{center}

Si l'eau de chaux se trouble (c.-à-d. devient opaque et blanchâtre), cela signifie que le gaz que l'on a
testé contenait du dioxyde de carbone.

\subsection{Test d'identification du dihydrogène}
Pour identifier le dihydrogène (H$_2$), qui est un gaz incolore et
inodore, on utilise sa propension à réagir de manière explosive avec
le dioxygène pour former de l'eau.

\Par

\begin{center}
\includegraphics{292_testh2}
\end{center}


On approche une allumette enflammée de l'orifice du tube à essais
ouvert. Si une petite détonation se fait entendre, cela montre que le
gaz à tester contenait du dihydrogène, qui a réagi avec le dioxygène
de l'air (contenu initialement dans le tube à essais, ou qui s'est
introduit dans ce dernier par l'ouverture pendant qu'on approchait
l'allumette), selon la réaction:

\[2\mathrm{H}_2+\mathrm{O}_2\rightarrow2\mathrm{H}_2\mathrm{O}\]

Des gouttelettes d'eau, produit de cette réaction, apparaissent
également sur les parois du tube.

\subsection{Test d'identification du dioxygène}
Pour identifier le dioxygène (O$_2$), qui est un gaz incolore et
inodore, on utilise le fait que ce dernier est le comburant des
réactions de combustion courantes: on introduit une bûchette
incandescente dans un milieu où l'on veut tester la présence de
dioxygène. Si la flamme se ranime, cela indique que le gaz à tester
est du dioxygène.

\Par

\begin{center}
\includegraphics{293_testo2}
\end{center}


\subsection{Test d'identification de l'eau}
Pour identifier la présence d'eau, on peut utiliser le test au sulfate
de cuivre anhydre (\og an-hydre \fg signifie \og sans eau \fg). Le
sulfate de cuivre anhydre se présente sous forme d'une poudre
blanche. En présence de traces d'eau, il tend à s'hydrater et prend
alors une couleur bleue caractéristique.

\subsection{Tests physiques}

On peut mesurer les propriétés physiques d'un composé, comme sa
masse volumique ou sa température de fusion ou d'ébullition, pour
l'identifier.

La température de fusion se mesure à l'aide d'un \index{banc
  Kofler}banc Kofler.  Il s'agit d'un banc sur lequel une plaque
métallique présente un gradient de température (la température croît
de manière régulière d'un côté à l'autre de la plaque). On y dépose
une petite quantité d'une substance solide dont on souhaite mesurer la
température de fusion.  On la place initialement à gauche de la
plaque, et on la déplace vers la droite, jusqu'à l'apparition de la
première goutte de liquide. On lit alors la température de la plaque à
l'endroit où la fusion a lieu avec le curseur du banc. Le déplacement
vers la droite doit être suffisamment lent pour permettre à la
substance d'être en équilibre thermique avec la plaque.

\parbox{\linewidth}{%
\begin{center}
  \includegraphics{293_kofler}
\figcaption{Représentation schématique d'un banc Kofler.}
\end{center}
}

\newpage


\subsection{Comparaison avec une référence: la chromatographie}
\label{sec:exemple-de-separ}
Le but de la \index{chromatographie}chromatographie
sur couche mince est de séparer les différents constituants d'un
mélange. Pour ce faire, on dissout le mélange dans un solvant (appelé
\emph{éluant}) qui ne réagit chimiquement avec aucune des espèces à
séparer. L'éluant s'élève par capillarité le long d'un substrat
de silice hydratée (la phase stationnaire).  En s'élevant, il
entraîne (c'est le phénomène \emph{d'élution}) les différentes espèces
dissoutes, avec une efficacité différente pour chacune de ces
espèces. Si, au bout d'un temps~$t$, on mesure la distance parcourue
par l'éluant ($H$) et la distance parcourue par un constituant~C
($h$), alors on peut calculer le nombre sans dimension suivant :
\[R_f=\frac{h}{H}\]
appelé \index{rapport frontal}rapport frontal du constituant~C dans l'éluant~E, et qui est toujours
compris entre~$0$ et~$1$.

\parbox{\linewidth}{%
\begin{center}
\includegraphics{294_263_10c_chromacours01}
\figcaption{Parties caractéristiques d'un chromatogramme.}
\end{center}
}

\section{Généralités sur les synthèses d'espèces chimiques}
Il est possible de synthétiser en laboratoire des espèces chimiques
présentes dans la nature. Les espèces obtenues sont alors
indiscernables de celles que l'on trouve à l'état naturel. Il est
d'ailleurs parfois plus facile (c'est-à-dire moins coûteux) de
synthétiser une espèce chimique que de l'extraire d'un milieu
naturel. Nous prenons ci-dessous comme exemple la synthèse de l'arôme
de la banane.

On introduit dans un ballon 20~mL d'alcool isoamylique et 30~mL d'acide
éthanoïque. On ajoute alors goutte à goutte 1~mL d'acide sulfurique
concentré.

On fait chauffer le milieu réactionnel en utilisant un chauffe-ballon,
et on le porte à ébullition pendant une demi-heure.

\vfil\hfil\textit{Voir illustration page ci-contre.}

\newpage

\begin{figure}
\begin{center}
\includegraphics{295_reflux}
\label{illus-synthese-especes-chimiques}
\end{center}
\end{figure}


La colonne ou tube réfrigérant au-dessus du ballon sert à condenser
les vapeurs issues du milieu réactionnel. Au contact de la paroi
interne du tube réfrigérant, refroidie de l'extérieur par une
circulation d'eau froide, les vapeurs se condensent en gouttelettes
qui retombent dans le milieu réactionnel. Ce type de montage, appelé
pour cette raison \og montage à reflux \fg, permet de porter à
ébullition sur des durées prolongées un milieu réactionnel sans perdre
de réactifs ou de produits.

\Par

À l'issue de la réaction, le milieu réactionnel contient de l'acétate
d'isoamyle, qui est le nom courant de l'arôme de la banane. Il faut
ensuite l'isoler et l'extraire. Pour ce faire, une technique courante
consiste à utiliser l'ampoule à décanter.

\subsectionnn{Une technique d'extraction et de séparation: la décantation}

On peut utiliser la technique de \index{decantation@décantation}décantation lorsque l'on a deux phases liquides non miscibles (c'est-à-dire qui ne se mélangent pas entre elles). La phase la moins dense se retrouve au-dessus de la phase la plus dense. On peut alors utiliser une ampoule à décanter pour séparer les deux phases.

\Par\enlargethispage*{2em}

En général, les deux phases non miscibles sont une phase aqueuse (où le solvant est de l'eau) et une phase dite organique (où le solvant est une molécule organique, comme l'hexane ou le cyclohexane). La phase organique est en général moins dense que la phase aqueuse, et se trouve donc dans la partie supérieure de l'\index{ampoule à décanter}ampoule à décanter.

\newpage

\begin{center}
\includegraphics{296_ampouledecanter}
\figcaption{Utilisation d'une ampoule à décanter. Les liquides A et B ne sont pas miscibles entre eux. On recueille dans le
bécher le liquide le plus dense (ici B).}
\end{center}


\begin{solintro}
\begin{questions}
\item 
Le colorant qui a   le plus grand rapport  frontal  est celui dont  la
tache est la  plus proche du  front de l'éluant sur le chromatogramme,
donc il s'agit du colorant E120.
\item 
Le chromatogramme  du sirop  de  menthe  montre  une tache à   la même
hauteur que la  tache du colorant  E140.  C'est donc celui-ci  qui est
présent dans le sirop de menthe. On doit s'attendre à ce qu'il ait une
couleur verte.
\end{questions}
\vspace*{-2em}
\end{solintro}
