SPC – Comprendre – http://rmspc.free.fr TP 16 Solvatation et extraction Objectifs : Comprendre les mécanismes de solvatation des sels ioniques et mettre en œuvre un protocole expérimental pour extraire une espèce chimique d’un mélange. I. La polarité de l’eau Sur un site internet, on trouve les conseils suivants pour réussir une vinaigrette : « Pour faire une vinaigrette classique, dissoudre un peu de sel dans une cuillérée à soupe de vinaigre (étape importante car le sel ne se dissout pas dans l’huile). Ajouter 3 cuillères à soupe d’huile et du poivre. Bien mélanger. » Le sel de cuisine, dont le nom chimique est chlorure de sodium, est un solide ionique. Le vinaigre est une solution aqueuse constituée principalement d’eau. Pourquoi le sel se dissout-il dans l’eau mais est-il insoluble dans l’huile ? 1. Étude expérimentale Vous disposez d’eau distillée, d’une burette graduée, d’un verre à pied, d’une paille et de peau de chat. a. Remplir une burette d’eau distillée. b. Régler le robinet de la burette pour faire couler un mince filet d’eau c. Sans toucher le filet d’eau, approcher une paille en plastiquée électrisée par frottement. d. Schématiser l’expérience e. Consigner la direction prise par le filet d’eau au voisinage de la paille : s’approche-t-il ? s’éloigne-t-il ? 2. Exploitation 1. Quel type d’interaction subit la molécule d’eau en présence de la baguette chargée ? 2. Il est possible d’attirer une boule métallique neutre suspendue à un fil avec une baguette chargée : ceci s’explique par un déplacement d’électrons libres dans le métal. L’eau pure est-elle un bon conducteur d’électricité ? Y a-t-il des électrons libres dans l’eau ? Par conséquent, l’explication donnée pour la boule métallique peut-elle s’appliquer aux molécules d’eau ? 3. La molécule d’eau est représentée ci-dessous. Elle est coudée et les deux liaisons O-H sont polarisées. L’atome d’oxygène est plus électronégatif que l’atome d’hydrogène, c’est-à-dire qu’il attire à lui les électrons de la liaison covalente : Recopier et compléter le schéma ci-dessus en faisant apparaître les charges partielles δ+ et δ- nécessaires pour respecter l’électroneutralité de la molécule. (On peut modéliser la répartition des charges dans la molécule en considérant que les 2 charges δ+ sont équivalentes à une charge 2δ+.) 4. Le comportement électrique de la molécule d’eau peut être modélisé en considérant uniquement les charges globales 2δ+ et 2δ-. Dans cette modélisation, les charges excédentaires positives et négatives sont-elles confondues ? On dit alors que la molécule est polaire. 5. Quelles charges électriques sont attirées par une charge électrique négative ? 6. Comment les molécules d’eau se placent-elles alors en présence de la paille chargée négativement ? Expliquer comment un filet d’eau peut être également dévié par une tige en verre chargée positivement par électrisation. 7. Les ions sont en général facilement solvatés par l’eau : les cations, ions positifs, et les anions, ions négatifs, vont être entourés de molécules d’eau dont la disposition obéit aux règles d’attraction ou de répulsion des charges électriques. Comment les molécules d’eau vont elles se placer autour d’un ion sodium Na+ ? autour d’un ion chlorure Cl- ? Ces différents ions seront-ils encore en interaction ? 3. Conclusion Rédiger une conclusion de l’étude en employant entre autres les termes suivants (ou de même famille) : Huile, eau, charge, dissoudre, électrique, répartition, géométrie, ionique. II. Extraction d’une espèce chimique d’une solution À l’issue d’une séance de travaux pratiques, un technicien de laboratoire récupère une solution aqueuse S résultant d’un mélange d’une solution bleue de sulfate de cuivre II et d’une solution rouge de rouge de méthyle. Ces deux espèces ne subissant pas les mêmes réactions pour leur recyclage, on peut les séparer avant de les expédier au centre de traitement des déchets. Problématique : L’extraction d’une espèce chimique d’une solution dépend, entre autres, de la nature du solvant et de la structure de l’espèce chimique à extraire. Comment extraire une espèce chimique d’une solution ? Matériel : Solution S (mélange de sulfate de cuivre II et de rouge de méthyle), eau distillée, éthanol, cyclohexane, ampoule à décanter, béchers. Document 1 : Solubilité entre elles de différentes espèces chimiques Sulfate de cuivre II Rouge de méthyle Eau Cyclohexane Éthanol Dans l’eau Très grande Faible Nulle Très grande Dans le cyclohexane Nulle Grande Nulle Très grande Dans l’éthanol Faible Grande Très grande Très grande Document 2 : Densité des solutions étudiées Solution S : 1,02 eau : 1,00 éthanol : 0,78 cyclohexane : 0,79 Document 3 : Modèles moléculaires du cyclohexane C6H12 et de l’éthanol C2H6O Document 4 : Électronégativité de quelques atomes H : 2,2 C : 2,5 O : 3,5 S’approprier 1. À l’aide des données fournies, rédiger un protocole expérimental détaillé, assorti de schémas légendés, permettant d’obtenir à partir de la solution S, deux solutions : l’une ne contenant quasiment que du sulfate de cuivre II, l’autre ne contenant quasiment que du rouge de méthyle. Faire valider. Réaliser 2. Réaliser le protocole en veillant au respect des règles de manipulation et de sécurité. Analyser 3. À partir des données, justifier que l’éthanol est une molécule polaire tandis que le cyclohexane est une molécule apolaire. 4. Expliquer pourquoi l’eau et l’éthanol sont totalement miscibles, c’est-à-dire solubles l’un dans l’autre en toutes proportions. 5. Le rouge de méthyle, peu polaire, est soluble dans le cyclohexane. Quelle hypothèse peut-on formuler en termes de solubilité et de polarité ? 6. Le sulfate de cuivre est un solide ionique. Comment expliquer sa grande solubilité dans l’eau et son insolubilité dans le cyclohexane ? 7. Justifier le choix du solvant pour l’extraction du rouge de méthyle (3 arguments). Communiquer 8. Rédiger la conclusion de l’étude en termes d’extraction et de solubilité.
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