distillation - chimie.

distillation - chimie. 1 PRÉSENTATION distillation, procédé de séparation consistant à chauffer un liquide jusqu'à ce que ses constituants les plus volatils -- ceux qui ont le point d'ébullition le plus bas -- passent en phase vapeur, cette dernière étant ensuite condensée pour récupérer les constituants devenus liquides par condensation. 2 PRINCIPE La distillation est une méthode très utilisée pour séparer les constituants d'un mélange liquide de volatilités différentes. Contrairement à l'évaporation, dont le but est de recueillir le composant le moins volatil par élimination de l'autre composant, la distillation est suivie d'une condensation des composés à récupérer. Par exemple, la séparation de l'eau et de la glycérine est réalisée par évaporation de l'eau, et la séparation de l'eau et de l'alcool est effectuée par distillation du mélange, l'alcool étant le constituant le plus volatil. Dans les deux cas, on utilise les mêmes appareillages. Lorsque la différence de volatilité -- et donc de point d'ébullition -- entre les deux composants est grande, une séparation complète peut être effectuée par une seule distillation. L'eau de mer, par exemple, contient environ 4 p. 100 de solides dissous (principalement du sel courant). Elle est facilement purifiée par vaporisation de l'eau. On condense ensuite la vapeur d'eau et on recueille de l'eau distillée. Dans de nombreuses applications, cette eau est équivalente à l'eau pure, même si la première contient en réalité des impuretés sous forme de gaz dissous, dont le plus important est le dioxyde de carbone. Dans un mélange liquide, lorsque les points d'ébullition des composés diffèrent très légèrement, une séparation complète ne peut être atteinte en une seule distillation. L'exemple courant est la séparation des constituants d'un mélange eau-alcool. Sous pression atmosphérique normale (760 mm de mercure), l'eau bout à 100 °C et l'alcool bout à 78,5 °C. Lorsqu'un tel mélange est porté à ébullition, la vapeur formée contient les deux composés mais est plus riche en alcool (composé le plus volatil des deux) qu'en eau. Pour concentrer une solution d'alcool à 10 p. 100 (telle qu'elle peut être obtenue par fermentation), ou pour obtenir une solution à 50 p. 100 (utilisée pour le whisky), le distillat, c'est-à-dire le liquide obtenu par condensation de la vapeur formée au cours de la distillation, doit être redistillé une ou deux fois. Pour obtenir l'alcool industriel (pur à 95 p. 100), un grand nombre de distillations successives sont nécessaires. 3 LOI DE RAOULT Dans un mélange de deux liquides miscibles, la volatilité de chaque composé est la volatilité du composé pur. Dans ce cas, le point d'ébullition d'un mélange 50/50 serait à mi-chemin entre les points d'ébullition des substances pures, et le degré de séparation obtenu par une seule distillation dépendrait uniquement de la tension de vapeur, ou de la volatilité des composés à cette température. Cette relation élémentaire fut établie pour la première fois par le chimiste français François Marie Raoult (1830-1901). La loi de Raoult s'applique uniquement aux solutions dites « idéales «, c'est-à-dire aux mélanges de liquides qui ont une structure chimique semblable, comme le benzène et le toluène. Dans la plupart des cas, on observe de grands écarts par rapport à cette loi. Ainsi, si un composé est légèrement soluble dans l'autre, sa volatilité augmente lorsque les deux composés sont mélangés. La volatilité de l'alcool en solution aqueuse diluée est supérieure à celle prédite par la loi de Raoult ; plus la solution est concentrée, plus l'écart est important : la distillation d'un alcool à 99 p. 100 produit de la vapeur qui contient moins de 99 p. 100 d'alcool. C'est pourquoi l'alcool ne peut pas être concentré par distillation au-delà de 97 p. 100, même avec un nombre infini de distillations. 4 APPAREILLAGE Les appareils de distillation ont pour but de réaliser le meilleur échange de matière entre le liquide et la vapeur qui se croisent. Techniquement, un alambic est un récipient dans lequel les liquides sont portés à ébullition pendant la distillation. Cependant, ce terme est parfois utilisé pour désigner l'appareillage entier, à savoir la colonne de fractionnement, le condenseur et le récepteur, qui reçoit le distillat. Par extension, on appelle également alambic l'appareillage utilisé pour la distillation destructive, ou craquage. Les alambics de laboratoire sont généralement en verre. Dans l'industrie, ils sont souvent en fer ou en acier ; pour éviter la contamination du produit par le fer, on utilise des alambics en cuivre. 5 DISTILLATION FRACTIONNÉE Dans l'exemple du mélange eau-alcool, si une partie du distillat est réintroduite dans le condenseur et qu'il descend dans une colonne de distillation équipée d'une série de plateaux, à chaque plateau, la vapeur montante et le liquide descendant se croisent et interagissent : une partie de l'eau en phase vapeur se condense et une partie de l'alcool de la phase liquide se vaporise. Cette interaction correspond ainsi à une redistillation. En utilisant une colonne avec un nombre suffisant de plateaux, on peut obtenir un alcool pur à 95 p. 100 en une seule opération. De plus, en introduisant progressivement la solution initiale d'alcool (10 p. 100) au milieu de la colonne, l'alcool peut être séparé de l'eau en descendant vers le plateau inférieur. Il n'y a ainsi pas de perte d'alcool. Ce procédé, appelé rectification, fractionnement ou distillation fractionnée, est couramment utilisé dans l'industrie, non seulement pour les mélanges simples de deux composés, tels que l'alcool et l'eau dans les produits de fermentation, ou l'oxygène et l'azote dans l'air liquide, mais aussi pour les mélanges très complexes, tels que le goudron de houille et le pétrole. La colonne de fractionnement la plus utilisée est la tour de barbotage, dans laquelle les plateaux sont disposés horizontalement et espacés de quelques centimètres. Les vapeurs montent en passant dans les calottes de chaque plateau et barbotent ensuite dans le liquide. Les plateaux sont décalés : le liquide s'écoule de gauche à droite sur un plateau, puis déborde vers le plateau inférieur, et enfin s'écoule de droite à gauche. Parfois, l'interaction entre le liquide et la vapeur est incomplète, ou il se forme de la mousse. La vapeur transporte alors une partie du liquide vers le plateau supérieur. Cinq plateaux réels sont alors requis pour effectuer le travail de quatre plateaux théoriques, soit quatre redistillations. L'équivalent peu coûteux d'une tour de barbotage est la colonne à garnissage, dans laquelle le liquide s'écoule sur une garniture d'anneaux en faïence ou de morceaux de tubes de verre. La distillation fractionnée présente un seul inconvénient : une fraction importante du distillat condensé (près de la moitié) doit être mise en reflux ou réintroduite au sommet de la tour et éventuellement rebouillie, ce qui nécessite davantage de chauffage et donc d'énergie. D'autre part, l'opération en continu rendue possible par le fractionnement permet d'importantes économies de chauffage, car le distillat sortant peut être utilisé pour préchauffer l'alimentation de la colonne. Lorsque le mélange comprend un grand nombre de composés, ils sont extraits à différents niveaux de la tour. Les tours de distillation industrielle du pétrole possèdent plus de 100 plateaux et au moins dix fractions différentes sont extraites à des niveaux adaptés. Des tours avec plus de 500 plateaux sont utilisées pour la séparation des isotopes par distillation. 6 DISTILLATION EN PHASE VAPEUR Lorsque l'on chauffe un mélange de deux liquides non miscibles, chaque liquide s'évapore à la température d'ébullition du composé pur. Par conséquent, un tel mélange bout toujours à une température inférieure à celle de chaque constituant, et le pourcentage de chaque composé dans la vapeur dépend uniquement de sa propre tension de vapeur à cette température. Ce principe peut être appliqué aux substances qui seraient dégradées par une distillation classique (chauffage important). 7 DISTILLATION SOUS PRESSION RÉDUITE La distillation peut être réalisée sous des pressions extrêmement différentes. Pour purifier un composé qui a un point d'ébullition normal trop élevé, on effectue une distillation sous pression réduite en créant un vide partiel dans l'alambic. Ainsi, l'aniline peut être distillée à 100 °C avec seulement 7 p. 100 d'air dans l'alambic. Cette méthode est aussi efficace que la distillation en phase vapeur, mais un peu moins coûteuse. Plus le vide est important, plus la température de distillation est basse. Lorsque la distillation est effectuée sous un vide presque total, le procédé est appelé distillation moléculaire. Ce procédé est régulièrement utilisé dans l'industrie pour la purification des vitamines et de certains autres produits instables. La substance disposée sur un plateau est chauffée sous vide. Le condenseur est un plateau froid, placé le plus près possible du premier plateau. La majeure partie du composé passe dans l'espace compris entre les deux plateaux. Ainsi, on constate très peu de perte du produit. 8 DISTILLATION MOLÉCULAIRE PAR CENTRIFUGATION Lorsqu'une haute colonne contenant plusieurs gaz est scellée et placée verticalement, une séparation partielle des gaz a lieu, due aux forces de gravitation. Dans une centrifugeuse à grande vitesse, ou un dispositif nommé vortex, les forces qui séparent les composés les plus légers des composés les plus lourds sont nettement supérieures aux forces de gravitation, ce qui rend la séparation plus efficace. La distillation moléculaire par centrifugation permet par exemple de décomposer le gaz hexafluorure d'uranium en molécules contenant les isotopes uranium-235 et uranium-238. 9 SUBLIMATION La sublimation est la distillation d'un solide qui passe directement à l'état gazeux, sans formation intermédiaire de liquide. Globalement, la sublimation est semblable à la distillation. Cependant, un soin particulier doit être apporté pour éviter que le solide n'obstrue le dispositif. L'iode est un exemple de solide purifié par sublimation. 10 DISTILLATION DESTRUCTIVE La distillation destructive consiste à décomposer un produit à température élevée, puis à séparer les produits formés par fractionnement en une seule opération. Industriellement, on effectue la distillation destructive de la houille pour obtenir du coke, du goudron, du gaz, de l'ammoniac, et celle du bois pour obtenir du charbon de bois, de l'acide éthanoïque, de la propanone et du méthanol. Ce procédé a été en grande partie supplanté par des procédés synthétiques pour obtenir les différents sousproduits. Le craquage du pétrole est semblable à la distillation destructive. Microsoft ® Encarta ® 2009. © 1993-2008 Microsoft Corporation. Tous droits réservés.