Techniques chimiques

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L'essentiel

L'une des actions du chimiste est d'extraire, de séparer et d'identifier les substances présentes dans un mélange donné. Selon la nature du mélange, plusieurs techniques sont disponibles :
  • filtration d'un mélange solide/ liquide ;
  • distillation d'un mélange homogène de substances liquides ;
  • chromatographie ou spectroscopie pour identifier le produit isolé.
Pour disposer en grande quantité de molécules utiles (médicaments, parfums, etc.), le chimiste doit aussi réaliser la synthèse de substances, celles-ci pouvant être déjà présentes naturellement dans son environnement mais aussi parfois être entièrement artificielles.

La fiche

Depuis longtemps, l'homme a cherché à extraire la partie active des substances naturelles, par macération, décoction, chauffage, puis par des techniques plus élaborées. Dans le domaine des médicaments, celui des colorants ou des parfums, la mise en œuvre de techniques simples d'extraction permet d'isoler la molécule active aux propriétés recherchées.
Une fois séparée des autres constituants, la molécule doit pouvoir être identifiée. La notion d'identification d'une molécule est devenue de nos jours un des domaines clés de la recherche en police scientifique : la détection de traces d'explosifs, la récupération de traces d'ADN suspect sont autant d'illustrations de ce domaine de la chimie.
Mais le vaste champ de la chimie couvre aussi celui des synthèses : synthèse de parfums, de colorants, de médicaments, de matières plastiques, etc.
Historiquement, ce domaine a largement bénéficié de l'exploitation industrielle du pétrole au début du xxe siècle, dans la mesure où les composés du pétrole brut fournissent de précieux réactifs pour un très grand nombre de synthèses organiques… à condition de bien les extraire et les identifier dans cette matière première.
Extraction et séparation des constituants
Selon la phase (solide, liquide, gaz, mélange) dans laquelle se trouve la substance recherchée, on a recours à diverses techniques, à commencer par les plus simples.
Mélange hétérogène : filtration, décantation
Un mélange dit hétérogène correspond à la coexistence de plusieurs phases distinctes bien visibles à l'œil nu. Dans le cas contraire, on parle de mélange homogène. Exemples : un mélange eau + huile est hétérogène ; une solution saturée en sel est un mélange hétérogène : le trop-plein de sel ne pouvant se dissoudre, il reste en suspension ou tombe dans le fond de la solution, après précipitation solide.
Pour séparer un solide d'un liquide, on utilise une filtration, réalisée à travers un entonnoir muni d'un filtre. La taille des trous du filtre (on parle de la porosité du filtre) gouverne la taille des particules pouvant être retenues par le filtre. Exemple : filtration du café dans un percolateur.
Le résidu solide est séparé de la partie liquide appelée le filtrat. Une filtration ne permet pas de séparer deux liquides entre eux. Ainsi, le filtrat peut très bien être un mélange (liquide) hétérogène, correspondant à la coexistence de plusieurs phases liquides.
Un mélange hétérogène de deux liquides correspond à la formation de deux couches distinctes : on dit que les deux solutions ne sont pas miscibles. Exemple : l'huile et l'eau ne sont pas miscibles, mais l'eau et l'éthanol (alcool des boissons alcoolisées) sont miscibles. Une filtration du mélange hétérogène eau + huile ne permet pas d'obtenir un liquide homogène.
Si on laisse reposer le mélange, la formation et la superposition de deux couches homogènes est appelée une décantation. À l'aide d'une ampoule à décanter, on soutire alors la phase la plus dense.
Mélange homogène : distillation
Un parfum est habituellement une solution alcoolisée homogène contenant une molécule odorante. Pour extraire la molécule (qui est un soluté) de son solvant (de l'eau ou de l'éthanol), on peut procéder à une distillation. Le mélange homogène est chauffé et porté à ébullition dans un ballon dont le col est muni d'un réfrigérant. Les vapeurs s'élèvent verticalement dans le réfrigérant, refroidi par ailleurs (par exemple avec une circulation d'eau froide) ; à son contact, elles se reliquéfient. Les vapeurs les plus volatiles sont celles dont la température de liquéfaction est la plus basse ; elles ont tendance à s'élever plus haut dans le réfrigérant avant de se transformer en liquide. Une distillation consiste simplement à disposer des étages de récupération à différentes hauteurs dans le réfrigérant ; à chaque étage correspond un composé pur à la température de liquéfaction bien définie.
Une distillation permet donc d'enrichir une solution en un composé précis et de l'identifier (par sa température de liquéfaction).
Exemple : une tour de distillation du pétrole permet de séparer la majorité des constituants contenus dans un pétrole. Mais elle ne permet pas de séparer les constituants dont la température d'ébullition est trop élevée et qui ne peuvent pas être vaporisés au préalable avant d'être reliquéfiés.
Extraction par solvant
Certains solutés sont plus facilement solubles dans un solvant que dans un autre. Il peut être possible de faire passer dans ce solvant tout ou une partie d'un soluté qui se trouvait au préalable dans un autre solvant moins adapté au soluté en question.
Exemple : lors d'un détachage à sec, la tache de graisse fixée à un tissu, est difficilement soluble dans une solution aqueuse (l'eau et l'huile ne sont pas miscibles), mais elle peut être facilement soluble dans un solvant bien choisi. Le détachage à sec (c'est-à-dire réalisé dans un solvant sans eau) est une illustration de cette technique d'extraction par solvant.
Identification des espèces chimiques
Séparer une molécule ou un mélange de molécules est une chose, pouvoir l'identifier en est une autre, plus délicate. Parfois, certaines caractéristiques ou certains tests simples peuvent suffire à résoudre la difficulté : température de fusion ou d'ébullition du composé, densité, réaction entre deux ions, etc. Mais le plus souvent, il faut recourir à des techniques plus élaborées, comme la chromatographie ou une spectroscopie. Lorsqu'on s'intéresse par exemple à la nature de molécules présentes sur une planète autre que la Terre, il n'est pas possible en général de recourir à l'analyse physique directe des échantillons : l'identification doit se faire à distance, par spectroscopie par exemple.
Tests caractéristiques simples
Certaines molécules ou certains ions peuvent être identifiés à l'aide de tests simples.
  • Exemples : le dioxyde de carbone CO2 trouble l'eau de chaux ;
  • une solution contenant des ions argent(I) Ag+, forme avec une solution d'ions chlorure Cl (par exemple une solution salée) un précipité blanc qui noircit à la lumière ;
  • la présence de glucose dans une solution peut être révélée à l'aide de la liqueur de Fehling chauffée.
Absorption de lumière et spectroscopie
L'interaction de la matière avec la lumière peut donner des informations sur la matière elle-même. Ainsi, éclairée avec de la lumière blanche, une substance peut apparaître colorée, signe qu'elle contient certaines espèces ayant absorbé une partie de la lumière blanche.
À une couleur donnée, on associe une grandeur homogène à une longueur, appelée longueur d'onde et notée λ. Pour la lumière visible, λ est comprise entre 0,4 mm (limite supérieure du domaine des ultraviolets UV) et 0,8 mm (limite inférieure du domaine des infrarouges IR).
Une substance possède une absorption caractéristique de la lumière que l'on appelle spectre d'absorption ; il s'agit des longueurs d'onde auxquelles la matière est sensible et qu'elle absorbe. Elle prend donc la couleur associée aux longueurs d'onde qu'elle renvoie sans les absorber, c'est-à-dire la couleur complémentaire.
Exemple : une feuille d'arbre nous apparaît verte. Elle renvoie donc la longueur d'onde associée au vert (pour simplifier, 0,5 micron). Elle absorbe donc toutes les autres longueurs d'onde, notamment du bleu et du rouge.
L'étude de la réponse d'un matériau exposé à de la lumière est le domaine de la spectroscopie. Cette technique d'identification est très fréquemment utilisée et a de nombreuses applications.
Comme la lumière se déplace dans le vide, on peut déduire la composition de la surface des étoiles en observant la lumière qu'elles émettent en direction de la Terre.
Chromatographie
Sous sa forme la plus simple, cette technique consiste à tremper un papier filtre (genre buvard) dans un solvant (alcool, par exemple) ; en bas de ce papier, on dépose une goutte de la solution à analyser. En montant vers le haut du papier filtre, le solvant va entraîner les molécules contenues dans la goutte, plus ou moins longtemps. Les molécules de la goutte vont donc se répartir à des hauteurs différentes lorsqu'on arrête la migration du solvant. On peut ainsi séparer les différentes molécules (grâce à leurs différentes hauteurs de migration) et les identifier. Plus généralement et pour simplifier, une chromatographie consiste à laisser doucement migrer des produits contenus dans un mélange, déposés sous la forme d'une goutte en bas d'une plaque. Cette plaque est placée dans un récipient qui contient un fond de liquide qui va progressivement migrer vers le haut, imbiber la plaque et entraîner la tache. Chaque produit va migrer à son rythme, et après quelque temps, chaque produit va se séparer des autres. La chromatographie est donc essentiellement une méthode qualitative d'identification.
Synthèse chimique
La plupart des substances naturelles sont rares, ou bien difficiles d'accès, ou bien coûteuses à extraire. Le seul moyen d'obtenir de telles molécules en grande quantité est de les synthétiser. D'autre part, dans les composés naturels, les principes actifs sont souvent accompagnés d'autres molécules aux propriétés secondaires gênantes voire toxiques. La synthèse est donc une solution adaptée à ces difficultés. Pour une molécule donnée (par exemple l'éthanol C2H5OH), il n'existe en effet aucune différence entre la molécule extraite naturellement (par exemple, lorsqu'elle est produite biologiquement par fermentation alcoolique dans les fruits) et celle fabriquée artificiellement par une synthèse en laboratoire.
Quelques dispositifs simples sont couramment utilisés pour réaliser des synthèses.
Chauffage à reflux
Le chauffage à reflux est utilisé lors de la synthèse de nouveaux produits. En effet, il permet d'accélérer cette réaction grâce à un chauffage modéré des réactifs (on utilise un chauffe-ballon). Dans le cas où les réactifs ou les produits sont volatils, le chauffage les vaporise (comme lors de la distillation). Il faut donc pouvoir les refroidir pour les liquéfier, mais sans les extraire du milieu réactionnel. On utilise un réfrigérant à eau vertical.
Ce montage ne doit pas être confondu avec celui qui sert à la distillation, dont le but est d'extraire chacun des constituants d'un mélange que l'on chauffe également. Pour cette raison, dans le cas de la distillation, le réfrigérant à eau peut ne pas être vertical ; il est positionné sur le côté, pour liquéfier les produits purs.
Catalyse
Certaines réactions sont particulièrement lentes. Pour accélérer la transformation, mais sans modifier le produit que l'on cherche à obtenir, on peut utiliser une substance qui accélère la vitesse de réaction, et que l'on appelle catalyseur.
Exemple : la rouille d'un objet en fer est catalysée par de l'eau salée ; le sel est un catalyseur de cette oxydation naturellement lente.
Bref historique de la synthèse organique
Les opérations de distillation et d'extraction sont connues depuis l'Antiquité. L'acétone, le méthanol CH3OH ou l'éthanol C2H5OH sont préparés et isolés dès le xviie siècle par le chimiste anglais Boyle. La chimie de synthèse se développe ensuite beaucoup au xixe siècle, grâce aux travaux du chimiste français Berthelot, de l'Allemand Kekulé.

Zoom sur…

La biodiversité
Certaines espèces animales, utilisées par exemple à des fins thérapeutiques, sont actuellement en voie de disparition ou d'extinction, notamment en raison d'une exploitation industrielle trop intensive.
Ainsi, en Chine, les organismes marins sont depuis des millénaires une source de recherche. C'est le cas de certains tissus de requins, dont on a récemment isolé une molécule, la squalamine (du mot anglais squale, requin) entrée en essais cliniques dans le traitement du cancer des ovaires depuis très peu d'années. Pour éviter de sacrifier trop de requins, la démarche est désormais de commencer par isoler la molécule active, puis de trouver une voie artificielle pour sa synthèse. Ce n'est que grâce à de récentes avancées que l'homme est capable d'élucider la structure complète des nouvelles molécules trouvées dans la nature, et d'en proposer des voies de synthèse. Ainsi, au Japon, un insecticide, le « Padan », directement inspiré d'une molécule trouvée dans un ver marin, a été commercialisé avec succès.
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