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7/21/2019 01-etoh

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Denys Grandbois, professeur Éléments de chimie organique H – 04Collège Shawinigan, dépt. Chimie Préparation et purification de l’éthanol- 1 -

Expérience # 1

Préparation et purification de l’éthanol

1. But

Le but de l’expérience consistera dans un premier temps à préparer l’éthanol par uneréaction de fermentation. Ce mélange sera ensuite utilisé pour se familiariser avec lestechniques de distillation simple et fractionnée.

L’indice de réfraction ainsi que la masse volumique seront utilisés pour la déterminationquantitative de la teneur en alcool et la fiabilité de la méthode de détermination seraévaluée à partir d’un mélange dont la teneur est connue avec précision.

2. Théorie

2.1 Fermentation du sucre

La fermentation est sans doute la plus ancienne méthode de synthèse d’un composéorganique. C’est un processus qui permet de transformer les sucres contenus dansdiverses sources telles le sucrose (sucre de table), le glucose ou autres en éthanol, aveclibération de gaz carbonique. La réaction est réalisée par l’action d’enzymes produites pardes levures. Généralement, ces levures sont du genre Saccharomyces (cerevisae, balynus,

ou ellip soidus) et ont la capacité de sécréter les enzymes nécessaires pour transformer lesucre en alcool. Ces levures utilisent l’énergie dégagée lors de la réaction pour vivre et sereproduire. La réaction globale est la suivante:

C12H22O11 → 4 C2H5OH + 4 CO2 + énergie éq. 1

Cette réaction a ses limites et les levures sont inactivées lorsque la concentration enéthanol devient trop grande. Généralement, la concentration qu’il est possible d’atteindrese situe entre 5 et 15%. Le type de levures utilisé et la concentration initiale en sucredéterminent cette teneur.

Lors de cette expérience, nous préparerons d’abord l’éthanol en faisant fermenter durantune semaine ou plus du sucre de table dissous dans l’eau avec de la levure à pain(Fleischmann’s). Comme le sucre de table est raffiné (très pur), il ne contient pratiquement aucun nutriment pour permettre une bonne reproduction des levures, lafermentation serait donc difficile dans ces conditions. C’est pour cette raison que l’onajoute une solution contenant des sels minéraux essentiels afin d’apporter les élémentsnécessaires à une bonne reproduction des levures (potassium, sodium, magnésium, phosphates, tartrate, sulfates, azote inorganique).

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Il est également nécessaire d’ajouter une petite quantité de jus de fruits ou d’un mélangede fruits broyés pour donner un complément nutritif en sels minéraux. Les levuresutilisées sont quant à elles disponibles commercialement sous une forme déshydratée. Onalors les réhydrater dans de l’eau tiède légèrement sucrée avant de les ajouter au mélange

de fermentation.

Le montage utilisé pour cette fermentation est très simple. Il s’agit d’une fiole conique de500 mL, contenant le mélange fermentable, qui est bouché avec une bonde partiellementremplie d’eau. Cette bonde permet au gaz carbonique de s’échapper sans toutefois laisserl’air entrer à l’intérieur. Il est en effet indispensable d’empêcher l’air d’entrer en contactavec le bouillon de fermentation car les levures se serviraient de l’oxygène de l’air pourtransforment l’éthanol en acide acétique (vinaigre), ce qui diminuerait la concentrationfinale en alcool et causerait des problèmes lors de la purification.

Une fois la fermentation terminée, le mélange sera purifié par deux types de distillation.

Nous pourrons alors comparer l’efficacité des deux types de distillation.

2.2 Purification par distillation La distillation est la technique la plus couramment utilisée pour séparer et purifier desliquides. Elle repose sur la vaporisation partielle d’un composé liquide suivie de lacondensation des vapeurs obtenues pour retrouver le composé purifié sous la formeliquide. S’il y a des impuretés dans le liquide de départ (par exemple, de l’eau et dessucres avec l’éthanol préparé), le comportement de la distillation variera selon quel’impureté est volatile ou non (loi de Raoult, éq. 2).

Ptot = PAXA + PBXB éq. 2

2.2.1 Distillation d’un liquide pur ou contenant un composé non volatil

Lorsque le liquide bout, les vapeurs résultantes sont pures car les impuretés necontribuent pas à la pression totale et restent dans le mélange bouillant. La condensationde ces vapeurs donne ainsi le liquide purifié. Afin de connaître la température d’ébullitiondu liquide, on place un thermomètre à l’entrée du condenseur (figure 2). Vu qu’une partiedes vapeurs se condense sur le thermomètre, la température lue correspond à latempérature d‘ébullition. Cette température peut-être estimée grâce à la loi de Raoultlorsque nous connaissons la pression de vapeur du liquide pur ainsi que sa fraction

molaire.Si on mesure la température d’ébullition en fonction du volume de distillat, on obtientune courbe de distillation. On observe tout d’abord une rapide montée de température(qui correspond au chauffage du système) puis celle-ci se stabilise à une certaine valeur pour donner un plateau. Ce plateau correspond à l’équilibre liquide- vapeur et définit le point d’ébullition.

L’ébullition survient lorsque la pression de vapeur d’une substance est en équilibre (estégale à) avec la pression atmosphérique. La température d’ébullition variera donc en

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fonction de la pression lors de l’expérience. Les points d’ébullition sont souventrapportés à une pression de 760 mm Hg. Comme la température d’ébullition dépend de la pression atmosphérique, on devrait prendre une lecture de celle-ci lors d’une distillationafin de corriger la température d’ébullition mesurée et de pouvoir la comparer avec les

valeurs de la littérature. Remarquez que la correction est souvent inférieure à 0,5ºC, cequi est négligeable pour un travail de routine.

2.2.2 Distillation d’un mélange de deux liquides volatils

Lorsqu’on chauffe un mélange binaire composé de deux liquides (A et B) où le liquide Aest plus volatil que le liquide B, on peut prévoir que le composé A sera le plus facile àvaporiser. Par exemple, si on a un mélange contenant une fraction molaire de Aéquivalant à 0,30, la vapeur résultante sera enrichie en composé A par rapport au mélangeinitial. Ce qui n’est pas encore distillé sera par contre enrichi en composé B (moinsvolatil). Pour atteindre le point d’ébullition, il faudra donc chauffer davantage le mélange

pour poursuivre la distillation. La composition de la vapeur reflétera ce changement ets’enrichira éga lement en produit moins volatil B. À la fin, lorsque tout A sera évaporé, ilne restera que B pur et donnera une vapeur pure. Le comportement de ce mélange estdécrit par la loi de Raoult qui est présentée à l’équation 2.

Graphiquement, le diagramme de phases d’un mélange idéal est comme celui illustré ci-dessous.

Figure 1. Courbe de distillation d’un mélange binaire idéal

Il est important de se rappeler que cette loi ne s’applique qu’à des mélanges idéaux (ouconsidérés comme tels). Les mélanges non idéaux dévient de cette loi et il est difficile de prédire leurs comportements lors d’une distillation (mélanges azéotropiques).

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Pour effectuer une distillation, deux types de montages peuvent être utilisés: le montage àdistillation simple (figure 2) et le montage à distillation fractionnée (figure 3). Le choixdépend du mélange à distiller.

Figure 2. Montage à distillation simple

Figure 3. Montage à distillation fractionnée

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Si on distille un mélange un mélange binaire (A+B) dans un montage à distillation simpleet qu’on mesure la température d’ébullition en fonction du volume de distillat recueilli,on constate que la température augmente d’abord très rapidement puis se stabilise à unecertaine valeur: on a un plateau où la température est à peu près constante. Ce plateau

correspond au point d’ébullition du composé A (le plus volatil). À mesure que laséparation progresse, la température augmente et atteint un second niveau où elle sestabilise de nouveau: c’est le point d‘ébullition du composant le moins volatil, B.

Figure 4. Qualité de séparation d’un mélange de deux composants.

L’aspect général de la courbe de distillation donne une bonne idée de la qualité de laséparation. Si la courbe possède deux plateaux bien définis (fig. 5-a et 5-b), la séparationest jugée bonne, car il est possible de recueillir séparément une certaine quantité de

chacun des composants A et B purs. Il faut noter qu’il y a une troisième fractionintermédiaire, qui est un mélange de A et B qui ont été distillés simultanément, dontl’importance varie selon la qualité de la séparation (faible si la séparation est bonne etgrande si la séparation est mauvaise).

Évidemment, lorsqu’on veut séparer, il faut fractionner le distillat et ne recueillir que cequi condense à une température constante (ou du moins sur un intervalle de quelquesdegrés). On obtient où on a une bonne séparation par distillation simple lorsqu’il y a unegrande différence entre les points d’ébullition de A et B (plus de 50°C, comme pour lemélange éthanol, Peb = 78°C et hexanol, Peb = 157°C). Cette différence est souventmoindre, comme pour le mélange éthanol (78°C) et eau (100°C).

Dans ce cas, la séparation est incomplète (aspect de la courbe de distillation semblable àla fig. 5-c ou 5-d). On peut toutefois reprendre la distillation avec une fraction du distillat possédant un faible intervalle de température (disons 10°C). Ce nouveau mélange seraencore enrichi et on pourra le recueillir plus pur (l’aspect de la courbe ressemblera plus à5-b). Si cela n’est pas suffisant, on peut refaire cette distillation autant de fois quenécessaire. Mais le prix à payer est une perte considérable en produits (car on en élimineà chaque distillation), ce qui n’est pas acceptable lorsque les quantités sont limitées, ouquand le produit est très lucratif (semblable au Viagra…).

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Pour remédier à ce problème, on peut regrouper ces distillations multiples en une seule enmodifiant le montage à distillation: on interpose une colonne de fractionnement entre le ballon et le condenseur. Cette colonne (figure 6) peut être remplie de billes de verre, de porcelaine ou d’autre chose de façon à avoir une très grande surface de contact avec les

vapeurs.

Figure 5. Équilibres s’établissant dans une colonne de fractionnement.

La séparation se fait grâce à une série de cycles interreliés de vaporisations-condensations plus ou moins en équilibre entre eux qui s’établit dans la colonne de fractionnement. Ils’établit ainsi un gradient de température dans la colonne (elle diminue à mesure que l’onmonte), ce qui tend à retenir le liquide moins volatil (en favorisant sa condensation sur lasurface du matériel de remplissage de la colonne) et à laisser passer le liquide volatil.Une fois arrivées en haut de la colonne, les vapeurs ne sont en principe que constituéesque de composé A pur, qui est condensé pour donner le liquide A pur. La courbe deséparation devrait alors ressembler à la figure 5-a ou 5-b. Une telle colonne permettra deséparer deux liquides dont les différences de points d’ébullition sont inférieures à 10°C.

Les mélanges qui ne sont pas idéaux ne sont pas parfaitement purifiés par distillation,quelque soit la qualité de celle-ci ou le nombre de fois qu’on l’aura faite: ce sont lesmélanges azéotropiques. Le mélange eau-éthanol en est un et il est impossible d’obtenirde l’alcool pur à 100% par distillation du mélange eau-éthanol. Le maximum de puretéque l’on peut atteindre est de 95,6% d’alcool et constitue l’alcool 94 du commerce(SAQ).

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Figure 6. Différents types de colonnes de fractionnement

Cette expérience se déroule en trois semaines. La première semaine de laboratoire estconsacrée au démarrage de la fermentation, qui donnera le mélange d’alcool à distiller,ainsi qu’aux deux distillations simples de l’eau et de l’éthanol purs. En notant latempérature d’ébullition mesurée en fonction du volume recueilli pour chaque composé pur, ces données serviront à construire deux courbes de distillations et à déterminer les points d’ébullitions de l’eau et de l’éthanol.

La fermentation sera terminée à la deuxième semaine de laboratoire. C’est ce bouillon de

fermentation (mélange contenant approximativement 10-12% d’éthanol) qui sera utilisé pour faire la troisième distillation simple. En notant la température en fonction du volumede distillat, on pourra établir une courbe de distillation expérimentale. On pourra juger dela qualité de la séparation en comparant l’aspect général de la courbe avec les différentescourbes de la figure 5. On conserve le distillat pour faire les mesures des constantes physiques comme l’indice de réfraction (réfractomètre) et de la densité (densimètre). Cesdonnées seront ensuite comparées aux valeurs de la littérature et permettront de juger dela pureté l’alcool obtenu. Une simple règle de trois permettra d’évaluer la concentrationen éthanol dans le bouillon de fermentation initial.

La distillation fractionnée du reste du bouillon de fermentation sera effectuée lors de la

troisième semaine. On refait encore une autre série de mesures de la température enfonction du volume de distillat. En portant en graphique ces données et en les comparantavec la distillation simple du même mélange, on sera en mesure de juger quel type dedistillation permet de faire la meilleure séparation de l’alcool contenu dans un jus defermentation. Si on utilise différents types de colonnes, on pourra même trouver laquelle permet de faire la meilleure séparation.

* Raymond Chang, Luc Papillon, Chimie fondamentale volume 2, 2ième édition,Chenelière, Montréal (2002). pages 52-5.

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3. Mode opératoire

3.1 Préparation du mélange à fermenter

1.

Pesez 1 g de levure sèche dans un bécher de 100 mL et réhydratez-les avec 20 mL

d’eau tiède contenant une pointe de spatule de sucre. Laissez reposer pendant 10 à

15 minutes.

2. Pendant ce temps, pesez directement 100 g de sucre et 50 g de jus de raisins

concentré (ou une masse équivalente de fruits écrasés) dans la fiole conique de

500 mL.

3. Ajoutez 30 mL de solution de Pasteur et complétez le volume à 400 mL avec de

l’eau du robinet.4. Agitez pour tout dissoudre et versez la suspension de levures. Fermez avec la

bonde partiellement remplie d’eau et remisez dans l’armoire prévue. Évidemment,

n’oubliez pas d’identifier correctement votre contenant (en respectant les règles

du SIMDUT : Nom du produit, dangers, manipulation sécuritaire et FS existante

ou non).

3.2 Distillation simple de l’éthanol

1. Assemblez le montage à distillation simple tel qu’illustré à la figure 2. Assurez-

vous de disposer de suffisamment d’espace entre la mante chauffante et la table

afin de pouvoir l’enlever si nécessaire (si la réaction s’emballe). Évidemment, les

parties de votre montage doivent être fixées adéquatement au statif afin de

supporter le montage dans l’éventualité où vous retirez la mante chauffante J.

Faites vérifier votre montage par un(e) responsable avant de commencer

l’expérience. Vous utiliserez un ballon de 250 mL comme ballon à distillation et

le récipient de réception sera un cylindre gradué de 50 mL ou de 100 mL, selon lecas. Vous n’ajouterez le bec verseur au montage que lorsque la première goutte

commencera à descendre dans le condenseur.

2. Placez environ 100 mL d’éthanol dans le ballon de 250 mL et ajoutezune pincée

de pierres d’ébullition (afin d’uniformiser l’ébullition). Chauffez le ballon en

utilisant une mante chauffante adaptée. Placez le rhéostat à environ 80% pour

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chauffer rapidement au début puis abaissez un peu cette intensité lorsque

l’ébullition commence (si nécessaire). Si le chauffage est trop intense, vous

surchaufferez les vapeurs et la température notée sera erronée.

NOTE: Il est dangereux de brancher directement la mante chauffante sur la

prise de courant (risque de surchauffer et de brûler la mante). L’ordre à

respecter est le suivant : la rhéostat est branché à l’alimentation locale et

la mante est branchée au rhéostat J.

3. Lorsque les vapeurs atteignent le thermomètre et commencent à se condenser

dans le condenseur, ajoutez le bec verseur, et notez la température lorsque la première goutte de liquide tombe dans le cylindre gradué.

4. Continuez le chauffage de telle sorte que le distillat s’écoule à une vitesse de 1 à 2

gouttes par seconde (d’où la nécessité de réduire l’intensité du chauffage dans

certains cas). Notez la température aux 2 mL pour les 10 premiers mL de distillat

et espacez ensuite ces lectures à tous les 4 mL (lorsqu’un plateau est observé).

5. Distillez un volume total inférieur à 50 mL et arrêtez le chauffage. Laissez

refroidir un peu le montage et retirez le ballon à distiller. Videz son contenu dans

un contenant de récupération prévu à cet effet.

3.3 Distillation simple d’un mélange connu eau-éthanol

1. Prélevez exactement 60,0 mL d’eau distillée dans un cylindre gradué de 100 mL

et 40,0 mL d’éthanol dans un autre cylindre. Versez le contenu du second dans le

premier et notez le volume total des solutions.

2. Trouvez la densité et l’indice de réfraction de l’eau et de l’éthanol dans un

handbook (pas nécessairement à ce moment J).3. Mesurez l’indice de réfraction et la densité du mélange. Notez le volume qui reste

dans le cylindre gradué (celui que vous utiliserez pour distiller).

4. Distillez ce volume du mélange en notant la température aux 2 mL. Cette fois,

vous arrêterez la distillation lorsqu’un plateau sera observé pour l’eau

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(évidemment, à la température d’ébullition de l’eau pure). Il est préférable de

distiller un peu plus longtemps que moins…

5. À la fin, notez le volume de distillat et mesurez son indice de réfraction et sa

masse volumique.

6. Récupérez l’éthanol dans le contenant prévu à cet effet.

3.4 Distillation fractionnée du mélange fermenté.

1. Effectuez un montage à distillation fractionnée tel que présenté à la figure 3.

2. Assurez-vous que les parties du montage sont bien fixées afin de pouvoir retirer le

ballon et/ou la mante chauffante.

3.

Décantez votre mélange de fermentation et mesurez le volume de la partie liquide.4. Versez ce volume dans un ballon à distillation approprié en ajoutant quelques

pierres à ébullition et quelques gouttes d’un agent anti-moussant (dodécanol).

5. Distillez le mélange de la même façon qu’à la partie 3.3.

6. À la fin, notez le volume de distillat et mesurez son indice de réfraction et sa

masse volumique.

7. Récupérez l’éthanol dans le contenant prévu à cet effet.

4. Cahier de laboratoire

1. Titre de l’expérience2. But3. Collez un schéma des montages utilisés et faites un organigramme des manipulations.

Ce dernier ne devrait pas occuper plus d’une page…4. Données et observations

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5. Rapport de laboratoire

1. Page titre

2.

Données et observations (1,5 pts)Tableau # 1 Résumé des conditions de la fermentation

Masse de sucre blanc (g)

Masse de levures (nature :____) (g)

Masse de fruits (nature : _____) (g)

Volume total (mL)

Temps de réaction (Jours)

Température de réaction (°C)

Tableau # 2 Résumé de la distillation simple du mélange connu% p/p éthanol

(Handbook)

-------

100

-------

-------

0

--------------

-------

-------

Mélange connu (~ 40% v/v):

Volume éthanol (mL)

Masse volumique litt. (g/mL)

Téb prévue (°C)

Volume d’eau (mL)

Masse volumique litt. (g/mL)

Téb prévue (°C)Volume total (mL)

Indice de réfraction mesuré

Masse volumique mesurée à T=___ (g/mL)

Volume distillé (mL)

Volume distillat (mL)


Masse volumique à T=____ (g/mL)

Tableau # 3 Résumé de la distillation fractionnée du mélange fermenté

% p/p éthanol

(Handbook)

-------

-------

Mélange fermenté :

Volume distillé (mL)

Volume distillat (mL)


Masse volumique à T=____ (g/mL)

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3. Calculs et graphiques (3,5 pts)§ Calculez le % v/v en éthanol de la solution connue.§ Calculez le % p/p en éthanol à l’aide des densités trouvées (handbook).§ Déterminez le % p/p en éthanol de la solution connue à l’aide de sa densité et de

son indice de réfraction (que vous avec mesurés). Demandez-vous quelle méthodeest la plus fiable pour déterminer la teneur en alcool .

§ En utilisant le volume de distillat et ses propriétés que vous aurez mesurées,calculez le % p/v. Déterminez la masse d’alcool à l’aide de la méthode que vousaurez jugée la plus fiable (indiquez la méthode, indice de réfraction ou densité).

§ Calculez la teneur en alcool de votre mélange fermenté de la même façon qu’àl’étape précédente.

§ Tracez les 3 courbes de distillation sur un même graphique en les identifiant

correctement. Déterminez graphiquement les températures d’ébullition.

4. Résultats (2,0 pts)

Tableau # 4 Résultats des distillationsmélange connu :

% v/v

% p/p

% p/p selon ind. réf.

% p/p selon densité

%p/p récupéré* selon ind. réf.

%p/p récupéré* selon masse volumique

Mélange fermenté :

%p/v selon ind. réf.

%p/v selon masse volumique

% p/v du mélange fermenté (le plus fiable)* Le % p/p récupéré correspond à la teneur en alcool calculée à l’aide de la quantitéd’alcool dans le distillat et de la quantité distillée.

5. Discussion (3,0 pts)§ Le volume de la solution d’eau-éthanol est-il exactement 100,0 mL? Expliquez.§ Quelle méthode d’évaluation de la teneur en éthanol est la plus fiable (indice de

réfraction ou densité)? Expliquez brièvement.§

Commentez la fiabilité de la teneur en éthanol déterminée par la distillation d’unmélange. (Retrouvez-vous la teneur prévue pour le mélange aux proportionsconnues?).

§ Rappelez et commentez la teneur en éthanol obtenue par votre fermentation. N’oubliez pas de rappeler la nature des fruits utilisés…

§ Comparez et commentez les deux méthodes de distillations utilisées.§ Dites pourquoi nous distillons jusqu’à ce que l’on atteigne le plateau

correspondant à la distillation de l’eau malgré le fait que nous abaissons la teneuren alcool du distillat.

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