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  Seconde chim
 

Séparation et caractérisation d'espèces chimiques

Principe de la chromatographie


On prend du papier filtre
On trace un trait dans le sens de la largeur a 1cm du bord
Sur ce trait, on place 3 colorants : jaune, vert, rouge
Le papier filtre est appelé chromatogramme.
On place le papier dans une cuve à élution qui contient 0.5cm d'eau salée (éluant)


On attend une vingtaine de minutes.
Et ça nous donne quelque chose comme ça :


Explication : Les colorants alimentaires sont plus ou moins entraînés par l'eau salée (éluant) selon leur solubilité.

On constate que le colorant vert est un mélange de colorant jaune et de colorant bleu.

La chromatographie permet la séparation des constituants d'un mélange

Chromatographie de l'essence d'orange


Au lieu de prendre du papier filtre, on va prendre du papier spécial, une plaque en faite constitué en sa surface de silice et d'aluminium.

On trace un trait dans le sens de la largeur a 1cm du bord
Sur ce trait, on place 3 substances : limonène (jaune), citrale (vert) et de l'essence d'orange (rouge).
On prendra comme éluant (mélange de solvant) du cyclohexane plus de l'acétone.
On mettra un couvercle (pour que le vapeur de l'éluant remplisse la cuve) et on attendra.
C'est une chromatographie sur couche mince (CCM).




L'élution va se produire

Elution : L'éluant va entraîner pendant sa migration les substances constituant le mélange.
Il les entraîne avec une vitesse d'autant plus grande que les substances sont solubles dans l'éluant.

Après une vingtaine de minutes, on peut dire que le chromatogramme est lisible.
Pour ce, comme les substances qui ont été entraînées sont invisibles, on va plonger le chromatogramme dans une solution de permanganate de potassium.

Ensuite le chromatogramme sera violet mais les substances qui auront migrées seront blanches, jaunâtres.
On va obtenir a peu près cela :


3 substances (3 taches blanches au dessus de l'essence d'orange) au moins constituent l'essence d'orange (au moins car il peut y en avoir d'autres mais elles ne sont pas apparues car elles ne sont pas solubles dans l'éluant utilisé).
Un des constituants du mélange est à la même hauteur que la tache du limonène.
Donc le limonène fait parti des substances qui constituent l'essence d'orange.
Pareil pour le citral, un constituant de l'essence d'orange est la même hauteur que la tache de Citral.
Donc le citral fait parti des substances qui constitue l'essence d'orange.

Calcul du rapport frontal


Reprenons le chromatogramme d'avant


Le trait qui est tout en haut s'appelle le front de l'éluant ; c'est la hauteur à laquelle l'éluant est monté (on le laisse monté jusqu'à 0.5cm du bord environ).

h = hauteur de la tache de limonène en partant de la ligne de dépôt (où sont les 3 espèces chimiques)
H = hauteur qui part de la ligne de dépôt jusqu'au front de l'éluant

h = 3cm
H = 5cm

Rf = h/H
Rf = 3/5
Rf = 0.6

Le rapport frontal permet de reconnaître les constituants d'un mélange.
Exemple : On a fait un chromatogramme où la hauteur de la tache est égale à 3, la hauteur qui part de la ligne de dépôt est égale à 5 et où l'éluant utilisé est du cyclohexane + acétone.
On regarde un tableau ou sont marqués plusieurs résultats de chromatogramme avec différents éluants etc. et grâce à ça on peut voir le nom du constituant.

Synthèse d'espèces chimiques

Synthèse d'un arôme de lavande

L'acétate de linalyle est un liquide incolore à l'odeur de lavande. C'est un arôme qui entre dans la composition de l'huile essentielle de lavande.
Il peut être synthétisé par action du linalol sur l'anhydride acétique.

Montage expérimental


La synthèse est une transformation chimique au cours de laquelle les réactifs sont transformés en produits.

Le linalol et l'anhydride acétique sont les réactifs de cette synthèse.

Pendant la synthèse, le réfrigérant est ouvert car si on le fermait cela pourrait créer une surpression car on chauffe et on refroidit en même temps.

Le schéma ci-dessus est appelé un chauffage à reflux car on chauffe et on refroidit en même temps.

Au cours de cette synthèse, nous allons obtenir de l'acétate de linalyle et de l'acide acétique.
Ce sont les produits de la réaction.

Extraire l'acétate de linalyle

On verse les produits de la réaction dans une ampoule à décanter.

On ajoute par petite quantité 25ml d'eau.
Cet ajout d'eau permet d'éliminer l'anhydride acétique restant et qui se transforme en acide acétique.

La phase organique est constituée d'acétate de linalyle et d'acide acétique, il faut donc éliminer cet acétate de linalyle.
On agite le mélange et on élimine la phase aqueuse qui est plus dense que la phase organique et qui va se retrouver en dessous.

Il reste donc la phase organique avec de l'acide acétique.
Pour l'éliminer, on utilise de l'hydrogénocarbonate de sodium.
On verse donc 20ml d'hydrogénocarbonate de sodium (qui en réagissant avec l'acide acétique, conduit à la formation d'ions acétate et de dioxyde de carbone), puis on attend que le dégagement gazeux ralentisse (ne pas mettre de bouchon sur l'ampoule à décanter sinon il va sauter.)

On élimine la phase aqueuse.

Il peut y avoir encore quelque trace d'eau, qui seront éliminé en ajoutant du sulfate de magnésium anhydre.

Enfin, nous avons extrait l'acétate de linalyle
On peut garder l'acétate de linalyle pour une chromatographie ultérieure.


La chimie de synthèse joue un rôle important dans les domaines de la santé et de l'alimentation et contribue à amélioration du confort dans la vie de tous les jours.

L'atome

Les atomes de Démocrite et les atomes de Dalton


Les philosophes du Vème siècle considéraient que la nature des choses s'expliquait par le mélange de 4 éléments : le feu, l'eau, la terre et l'air.

Au 4ème siècle avant notre ère, le philosophe Démocrite pense que la matière est formée de grains invisible : les atomes (du grec atomos : qu'on ne peut diviser).
Démocrite pense que les atomes sont pleins mais tous différents : certains crochus, ronds etc… pour les emboîter ensemble (avoir des atomes crochus avec quelqu'un : bien s'entendre avec cette personne)
Mais Démocrite n'a aucune preuve expérimentale et sa démarche n'est que philosophique.

Le philosophe grec Aristote rejette cette théorie et reprend l'idée des 4 éléments, c'est sur cette fausse idée que vont reposer les travaux des alchimistes pendant plus de 20 siècles.

La théorie de Démocrite sera reprise comme hypothèse par le britannique John Dalton.
En 1805, il suppose l'existence des atomes et déclare qu'ils en existent plusieurs types, mais tout comme Démocrite, il n'a pas de preuve expérimentale.

En 1808, il propose la première liste de symbole représentant les différents atomes.

L'expérience de William Crookes


En 1895, le Britannique William Crookes réalise une expérience importante sur les atomes.
Il utilise un tube en verre (aujourd'hui ce tube en verre est appelé tube de Crookes) dans lequel l'air est raréfié (la pression est faible, environ 1Pa).
Il place dans ce tube 2 électrodes, entre lesquelles il applique une tension d'environ 10 000 volts.


Il observe alors que pour une pression faible, un rayonnement issu de la cathode et provoquant une luminescence sur les parois du tube.
Il donne à ces rayonnements le nom de " rayonnements cathodiques ".
Il montre que ces rayons sont électriquement chargés car ils sont déviés par le champ magnétiques d'un aimant.

En 1897, le Britannique Joseph John Thomson (1856-1940) prouve que ces " rayons cathodiques " sont des courants de particules portant une charge négative.
Dans le tube de Crookes, ces particules sont arrachés a la cathode.

Le modèle de l'atome de Rutherford


En 1909, la structure de l'atome reste dans le domaine des hypothèses.
Le physicien Britannique Ernest Rutherford (1871-1937) réalise une expérience décisive.
Il bombarde une feuille d'or très fine de particules alpha émises par un corps radioactif.
Les particules alpha sont des atomes d'hélium ayant perdu 2 électrons.
Elles sont beaucoup plus petites que les atomes d'or.
Rutherford considère que la feuille d'or est constituée d'environ 1 000 couches parallèles d'atomes.


Il observe que seule une infime minorité de particules alpha semble rebondir sur la feuille d'or : 1 sur 100 000.
La grande majorité de ces particules alpha ne sont pas déviés par la traversée de la feuille.

En 1910, il compare l'atome avec le système solaire ; l'atome est constitué d'un noyau autour duquel gravitent les électrons.
Le noyau est 104 à 105 fois plus petit que l'atome.
L'atome est constitué de beaucoup de vide et est électriquement neutre.

Il propose un modèle de l'atome (appelé "aspect lacunaire de l'atome")

Points essentiels sur l'atome

Dimension :


Rayon atomique = 10-10m

Rayon noyau = 10-15m

Comparaison : Ra / Rn = 10-10 / 1015 = 105


Les constituants de l'atome :


* noyau (les nucléons) :
- neutrons à électriquement neutre ; masse neutron = 1,675.10-27kg
- protons à chargés positivement ;
charge électrique : qe = e = 1,6.10-19 C (coulomb)
masse proton = 1,673.10-27 kg

(Donner la masse approché d'un atome veut dire que l'on ne prend pas en compte la masse des électrons qui est négligeable et qu'au lieu de prendre la masse des protons plus celle des neutrons, on prend la masse des nucléons (= 1,67.10-27kg)).
Ex : un atome qui a 56 nucléons : 56 × 1.67.10-27 = 9,352.10-26
Masse approché de l'atome = 9,352.10-26 kg


* électrons : masse électron = 9,1.10-31 kg
qe = -e = -1,6.10-19


Composition de l'atome :


Représentation symbolique :


A = nombre de nucléons
Z = numéro atomique (nombre de charges, nombre de protons dans le noyau)

Nombre de neutrons = A - Z

Exemple :

18 nucléons, 8 protons, 10 neutrons et 8 électrons parce que l'atome est électriquement neutre donc il y a autant de protons (charge positive) que de d'électrons (charge négatives).

Les éléments chimiques

Transformation chimique impliquant le cuivre

1. Réaction entre le métal cuivre et l'acide nitrique


On met dans un erlenmeyer un copeau de cuivre (métal roux) plus de l'acide nitrique.
On constate alors une effervescence dans l'erlenmeyer, ainsi que l'apparition d'un gaz roux.
La solution devient alors bleu et le cuivre va changer de forme.
(Le tube à essai, la tête à dégagement et la bac remplis d'eau sont là pour remplacer la hotte aspirante).

2.Précipitation des ions cuivres


On observe un précipité bleu.
La solution d'hydroxyde de sodium permet de mettre en évidence les ions cuivres (Soude + Cuivre = précipité bleu).

Cu fleche Cu2+
On est passé d'un métal constitué d'atome dans l'expérience 1 à des ions dans l'expérience 2

Le produit formé lors de cette manipulation est l'hydroxyde de cuivre.
Ion cuivre + Ion hydroxyde fleche Hydroxyde de cuivre

3.Déshydrater l'hydroxyde de cuivre par chauffage


On filtre le précipité d'hydroxyde de cuivre par filtrage simple. Le filtrat sera le réactif de la manipulation 3.
On chauffe le réactif grâce a un bec Bunsen, on obtient alors de l'oxyde de cuivre. Un produit de déshydratation de l'hydroxyde de cuivre

Cu2(OH) fleche CuO
(réactif) (produit)
On a " enlevé " le H2O

4.Réaction entre le carbone et l'oxyde de cuivre


On met dans un tube à essai, un peu de carbone et d'oxyde de cuivre et on le place au point le plus chaud de la flamme du Bec Bunsen. Au cours de cette manipulation, il se forme un gaz qui trouble l'eau de chaux, c'est du CO2.
A la fin de la manip, le tube contient un solide de couleur rouge : du cuivre métallique

Transformation subie par le cuivre : Cu2+ fleche Cu

Au cours de ses diverses transformations chimiques, on peut voir que l'élément chimique cuivre est conservé.

L'élément chimique


L'ensemble des entités chimiques (ions, atomes) ayant même numéro Z constitue un élément chimique.
Exemples :
  • L'élément chimique cuivre : Cu2+, Cu
  • L'élément chimique fer : Fe3+, Fe2+, Fe

Un élément chimique est caractérisé par son numéro Z.
Lors d'une réaction chimique, l'élément chimique est toujours conservé.

Les isotopes


Définition : Deux atomes d'un même éléments chimique sont des isotopes s'ils ont le même Z (numéro atomique) et leur A différents.
Exemple : élément chimique carbone :

Les ions monoatomiques


Ions positifs : cations
Ions négatifs : anions

Ion Fluorure à partir de l'atome de Fluor

F (atome) fleche 9 protons, 9 électrons
Ion F- car il a une charge négative supplémentaire (anion) donc 9 protons et 10 électrons

Ion Fer à partir de l'atome de Fer
Fe (atome) fleche 26 protons, 26 électrons
Ion Fe2+ car il y a 2 charges négatives en moins (cation) donc 26 protons et 24 électrons.

Attention : Lorsqu'on parle de ions monoatomiques, il n'y a que le nombre d'électrons qui changent, jamais le nombre de protons.

Composés ioniques


Les composés ioniques sont constitués de telle sorte que leur ensemble soit électriquement neutres.

Exemple :

Oxyde de cuivre
Cu2+ + O2- fleche CuO (autant de charges + que -)

Chlorure de Fer III
Fe3+ + Cl- fleche FeCl3 (3+ et 1- donc on mettra 3 Cl pour équilibrer, 3Cl- et Fe3+)

Oxyde d'Aluminium
Al3+ + O2- fleche Al2O3

Dans la formule des composés ioniques, on met toujours les cations avant les anions.








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