Aurélie nov 04

extraction ;

synthèse chromatographie

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Extraction par solvant et chromatographie du benzaldéhyde :

Le benzaldéhyde est une espèce chimique organique odorante, et contenue dans les amandes amères. A l'état pur, il est liquide à température ordinaire. On sait l'obtenir par extraction à partir de ces amandes : on obtient l'extrait naturel d'amande amère. On sait aussi le synthétiser en laboratoire : on obtient le benzaldéhyde commercial, liquide beaucoup moins coûteux, qui est souvent utilisé pour parfumer les pâtisseries et boissons, en particulier le sirop d'orgeat. On se propose d'étudier les caractéristiques physiques du benzaldéhyde puis d'analyser une solution aqueuse de sirop d'orgeat pour déterminer si celui- ci est parfumé avec l'extrait naturel ou avec le benzaldéhyde synthétique.

  1. Extraction du benzaldéhyde de la boisson aqueuse au sirop d'orgeat.
    - On dispose de 3 solvants :Ether diéthylique , éthanol et dichlorométhane. Déduire des données du tableau suivant le solvant approprié pour réaliser l'extraction .Donner le raisonnement.

    Eau
    Ether diéthylique
    éthanol
    dichlorométhane
    densité
    1
    0,71
    0,8
    1,33
    Température d'ébullition °C
    100
    35
    78
    40
    Solubilité du benzaldéhyde dans ce solvant
    faible
    Très bonne
    Très bonne
    faible
    Miscibilité avec l'eau

    nulle
    Très bonne
    nulle

    - Le mode opératoire :
    · On prélève 10 mL de boisson. Quel instrument choisir pour mesurer ce volume ?
    · On transvase dans un erlenmeyer et on ajoute 5mL de solvant, on agite et on laisse déposer. Qu'observe-t-on ? Préciser où se trouve le benzaldéhyde.
    · Avec quel dispositif peut-on le récupérer ?
    · Comment éliminer ensuite le solvant ? On obtient finalement un liquide (S).
  2. Analyse par chromatographie : on dépose sur une plaque de silice 3 microgouttes de benzaldéhyde commercial(B), l'extrait naturel d'amande amère(AA), le liquide (S) obtenu ci-dessus. Après migration avec un éluant approprié ,séchage puis révélation, on obtient le chromatogramme suivant :
    1. - Pourquoi peut- on en déduire que la boisson et l'extrait naturel contiennent du benzaldéhyde ?
      - L'extrait naturel d'amande amère (AA) est-il constitué uniquement de benzaldéhyde ?
      - La boisson au sirop d'orgeat est-elle parfumée à l'arôme de synthèse ou à l'extrait naturel ?


corrigé
Solvant approprié pour réaliser l'extraction : ce solvant ne doit pas être miscible à l'eau et le benzaldehyde doit être très soluble dans ce solvant. L'éther diéthylique convient. ( mieux, l'éther propylique )

On prèlève 10 mL de boisson à l'aide d'une pipette jaugée.

Dans l'ampoule à décanter le liquide le plus dense ( l'eau ) occupe la partie inférieure. Le benzaldehyde, très soluble dans l'éther, solvant non miscible à l'eau, se trouve à la partie supérieure.

Le solvant très volatil, l'éther, peut être éliminer par évaporation sous vide dans un évaporateur rotatif.


La boisson et l'extrait naturel contiennent du benzaldéhyde : sur le chromatogramme on observe une tache située au même niveau ( même rapport frontal) que celle du benzaldehyde ( substance étalon, référence).

L'extrait naturel d'amande amère (AA) est constitué de benzaldéhyde et de deux autres espèces chimiques : le chromatogramme correspondant présente trois taches.

La boisson au sirop d'orgeat est parfumée à l'arôme de synthèse : le chromatogramme correspondant à la boisson ne présente pas les trois taches que l'on retrouve dans l'extrait naturel.





Synthèse de l'huile essentielle d'un bâton de cannelle

· Dans un tube à essai introduire environ 10-2 mol de soude en pastille et 2 cm3 d'éthanol.

· Agiter puis refroidir 5 min dans la glace.

· Sous la hotte ajouter : 1 mL de benzaldéhyde et 0,5 mL d'éthanal. Boucher le tube à essai puis agiter 10 minutes.

· On récupère le produit de synthèse dans un flacon (noté E) pour une analyse chromatographique.
Noms
Formules chimiques
Masse volumiques ( g/cm3)
Température de fusion °C
Température d'ébullition °C
Soude
NaOH
2,13
324
1390
Ethanol
C2H6O
0,8
-112
79
Benzaldéhyde
C7H6O
1,04
-26
179
Ethanal
C2H4O
0,78
-123
20
Masse molaire atomique (en g/mol) : M(C)=12 ; M(O)=16 ; M(H)=1 ; M(Na)=23

  1. Quel est l'état physique de l'éthanal puis de la soude à 25 °C ? Justifier.
  2. Pourquoi refroidit-on le tube à essai avant d'introduire l'éthanal ?
  3. Exprimer littéralement puis calculer la masse de soude à peser.
  4. Rappeler la définition de la masse volumique puis calculer la masse de 2 cm3 d'éthanol.
  5. En déduire la quantité de matière (en mol) d'éthanol introduite. 

Chromatographie : on effectue sur une plaque de chromatographie cinq dépôts :

· Tache A : huile essentielle de cannelle

· Tache B : anéthole (arôme naturel pur)

· Tache C : cinnamaldéhyde (arôme naturel pur)

· Tache D : benzaldéhyde (arôme naturel pur)

· Tache E : produit de synthèse obtenu ci-dessus.

Après élution puis révélation sous U.V on obtient la plaque chromatographique ci-dessus.

  1. L'huile essentielle de cannelle est-elle pure ? Justifier votre réponse.
  2. Identifier le nom de l'arôme constituant l'huile essentielle de la cannelle. Justifier.
  3. L'analyse chromatographique du produit de synthèse obtenu montre qu'il contient d'autres espèces chimiques que l'arôme. Peut-on les identifier : si oui, donner leurs noms, sinon, formuler une hypothèse. 

corrigé
L'état physique de l'éthanal à 25 °C : gaz, la température d'ébullition étant 20°C, inférieure à 25 °C

La soude est solide à 25°C, la température de fusion étant 324 °C, bien supérieure à 25°C.

On refroidit le tube à essai avant d'introduire l'éthanal, car ce dernier doit rester à l'état liquide : pour cela la température ne doit pas dépasser 20°C.

m : masse (g) de soude à peser = Qté de matière soude (mol) * masse molaire (g/mol)

masse molaire de la soude NaOH : 23+16+1 = 40 g/mol

m= 0,01*40 = 0,4 g.

Je calcule une masse volumique ( g /mL) en divisant une masse (g) par le volume (mL) du solide ou du liquide

masse de 2 cm3 d'éthanol = masse volumique éthanol (g/mL) * volume du liquide (mL) = 0,8*2 = 1,6 g.

quantité de matière (en mol) d'éthanol = masse (g) éthanol / masse molaire (g/mol)

masse molaire éthanol C2H6O : 2*12+6+16 = 46 g/mol

Qté matière éthanol = 1,6 / 46 =3,48 10-2 mol.


L'huile essentielle de cannelle n'est pas pure : le chromatogramme A correspondant compte deux taches, donc au moins deux espèces chimiques.

L'arôme présent dans cette huile essentielle est le cinnamaldéhyde C : le chromatogramme A présente une tache ayant le même rapport frontal que le cinnamaldéhyde C.

Le chromatogramme E indique la présence de trois espèces chimiques dont l'une a le même rapport frontal que le benzaldehyde D. Par contre la première tache ne peut pas être identifiée.



l'huile essentielle d'eucalyptus :

L'eucalyptus est un arbre originaire d'Australie. Ses feuilles contiennent une huile essentielle odorante dont le principal constituant est une molécule appelée l'eucalyptol. Ce principe actif est à l'origine des propriétés thérapeutiques de l'huile essentielle d'eucalyptus, souvent utilisée en inhalation pour lutter contre les problèmes respiratoires.

A- Extraction de l'huile essentielle d'eucalyptus.

On fait bouillir pendant une vingtaine de minutes des feuilles d'eucalyptus émiettées dans de l'eau. On obtient alors un mélange d'eau et d'huile essentielle d'eucalyptus. On veut ensuite " extraire par solvant " l'huile essentielle de ce mélange. Trois solvants sont à notre disposition : cyclohexane, toluène, éthanol. On donne quelques-unes de leurs caractéristiques ci-dessous :
Solvant
Toluène
Cyclohexane
Ethanol
Miscibilité avec l'eau
Non miscible
Non miscible
Miscible
Solubilité de l'eucalyptol
Peu soluble
Très soluble
Très soluble
Densité
0,87
0,78
0,81

  1. Quel solvant extracteur choisiriez-vous ? Justifier en donnant deux critères.
  2. On introduit dans une ampoule à décanter 5 mL du solvant extracteur choisi et le mélange [eau + huile essentielle], on agite puis on laisse décanter.Que signifie " laisser décanter " ?
  3. Faire un schéma légendé de l'ampoule et de son contenu après décantation. Indiquer et justifier l'ordre et le contenu des phases.

B- Synthèse d'une substance odorante courante :

L'acétate d'isoamyle est une substance odorante présente dans beaucoup d'arômes naturels. Cette espèce chimique peut être synthétisée en laboratoire en suivant le protocole décrit ci-dessous :

On mélange tout d'abord dans un ballon V1=5 mL d'alcool isoamylique (C5H12O) avec n2=0,14 mole d'acide acétique pur (C2H4O2). On ajoute ensuite un peu d'acide sulfurique H2SO4 concentré pour accélérer la transformation chimique. L'acide sulfurique n'est pas consommé au cours de la transformation, ce n'est donc pas un réactif.

Au cours du chauffage, il se forme de l'acétate d'isoamyle (C7H14O2) et de l'eau (H2O). Après 20 min de chauffage, on refroidit le ballon sous l'eau froide, puis on verse son contenu dans une ampoule à décanter contenant 50 mL d'eau salée. On agite et on laisse décanter. On observe alors deux phases. On recueille la phase organique.

Données :

· Masses molaires : M(H)=1g.mol-1 ; M(C)=12g.mol-1 ; M(O)=16g.mol-1

· Masses volumiques : r1(alcool isoamylique)= 0,81 g.mL-1 ; r 2(acide acétique)= 1,05 g.mL-1.

  1. Etude de la molécule d'acide acétique : l'acide acétique a pour formule brute C2H4O2.
    - L'atome d'oxygène a pour symbole O ( Z=8 et A=16). Donner, en justifiant, le nombre de protons, d'électrons et de neutrons qui constituent cet atome.
    - Quelle est la structure électronique de l'atome d'oxygène ?
    - Combien de liaisons de covalence cet atome formera-t-il au sein d'une molécule ? (Justifiez votre réponse)
    - Cet atome portera-t-il alors des doublets non liants ? Si oui, combien ? (Justifiez votre réponse)
    Voici ci-dessous, une proposition pour la représentation de Lewis de la molécule d'acide acétique. Recopier la formule puis entourez les erreurs et proposez une correction.
  2. Quantités de réactifs introduites :
    - Calculer la masse molaire moléculaire de l'acide acétique.
    - Calculer la masse d'acide acétique à introduire dans le ballon.
    - En déduire le volume d'acide acétique à introduire dans le ballon.
  3. Protocole :
    - Dessiner un schéma légendé d'un montage à reflux.
    - Quels sont les réactifs de cette synthèse ?
    - Quels sont les produits de cette synthèse ?
    - L'équation chimique suivante traduit-elle la réaction chimique réalisée ? Si non, la corriger.
    C2H4O2 + C7H14O2 = C5H12

Etude comparative par chromatographie

On réalise une chromatographie sur couche mince en utilisant comme éluant un mélange de cyclohexane et d'acétate d'éthyle.

- dépôt A : huile essentielle d'eucalyptus extraite des feuilles.

- dépôt B : produit de la synthèse.

- dépôt C : acétate d'isoamyle de référence

  1. Préciser la légende du schéma ci-contre en nommant chaque élément numéroté.
  2. A-t-on bien synthétisé de l'acétate d'isoamyle ? Justifier.
  3. Que pouvez-vous déduire du fait que le dépôt A donne plusieurs tâches après élution ?
  4. Quelle(s) espèce(s) pouvez-vous identifier dans l'huile essentielle d'eucalyptus ? 

 


corrigé
Solvant approprié pour réaliser l'extraction : ce solvant ne doit pas être miscible à l'eau et l'eucalyptol doit être très soluble dans ce solvant. Le cyclohexane convient.

" laisser décanter " : laisser les deux liquides non miscibles se séparer : le plus dense ( l'eau dans ce cas) occupe la partie inférieure de l'ampoule à décanter ; le cyclohexane, le moins dense, contenant l'eucalyptol occupe la partie supérieure.


atome d'oxygène : Z=8 protons positifs dans le noyau, Z=8 électrons et A-Z=8 neutrons dans le noyau.
Structure électronique de l'atome d'oxygène : 2 électrons au premier niveau et 6 électrons au niveau n=2 soit K²L6.
Cet atome forme deux liaisons covalentes simples au sein d'une molécule . En effet il manque deux électrons pour compléter à huit électrons la couche électronique externe ( règle de l'octet)
Cet atome porte alors deux doublets non liants. ( L'atome d'oxygène engagé dans une molécule compte huit électrons externes ; seuls 4 électrons sont utilisés par deux liaisons covalentes simples ; il en reste quatre soit deux doublets non liants)


Masse molaire moléculaire de l'acide acétique C2H4O2 : 2*12+4+2*16=60 g/mol.
Masse d'acide acétique à introduire dans le ballon : Qté de matière (mol) * masse molaire =0,14*60=8,4 g.
Volume d'acide acétique à introduire dans le ballon: masse (g) / masse volumique ( g/mL)= 8,4 / 1,05= 8 mL.
Montage à reflux :
Les réactifs de cette synthèse : acide acétique + alcool isoamylique

Les produits de cette synthèse acétate d'isoamyle + eau
L'équation chimique suivante traduit la réaction chimique réalisée :
C2H4O2 + C5H12O = C7H14O2 + H2


(1) ligne des dépots ; (2) support fixe ; (3) front du solvant.

On a bien synthétisé de l'acétate d'isoamyle : B compte une tache situé au même niveau ( même rapport frontal) que l'acétate d'isoamyle C, produit de référence.

Le dépôt A donne plusieurs tâches après élution : l'huile essentielle d'eucalyptus est un mélange d'au moins trois espèces chimiques ; on peut identifier l'acétate d'isoamyle.



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