La chimie à l’école — Années 1 à 12 · Grades 1–12

22Espèces chimiques naturelles et synthétiques

Une cuillerée de glace à la vanille. Son arôme peut venir des gousses noires d’une orchidée tropicale, cueillies, préparées et mises à macérer dans l’alcool pendant des mois ; il peut aussi venir d’une usine qui le fabrique à partir de pâte de bois ou de pétrole. Goûtées côte à côte, les deux glaces ont le même arôme principal — et pour une bonne raison : la molécule qui a le goût de vanille, la vanilline, est exactement la même molécule, quelle que soit la façon dont on l’a obtenue. Ce chapitre montre comment les chimistes extraient une espèce d’une plante, comment ils la synthétisent, et comment ils vérifient que ce qu’ils ont obtenu est bien ce qu’ils croient.

Rappel

Une espèce chimique est une sorte particulière de substance ; un corps pur contient une seule espèce et possède des constantes fixes, comme ses températures de fusion et d’ébullition (Chapitre 8). Des liquides sont miscibles ou non miscibles, et chaque soluté a sa propre solubilité dans chaque solvant (Chapitre 9). La chromatographie sur papier sépare les colorants d’un mélange (Chapitre 10).

Des gousses de vanille et des cristaux blancs de vanilline : la même molécule, venue d’une plante ou d’une usine.

22.1 Espèces naturelles et espèces synthétiques

Définition 22.1 (Espèces naturelles et synthétiques)

Une espèce naturelle est une espèce chimique fabriquée par un être vivant ou présente telle quelle dans la nature. Une espèce synthétique est fabriquée par les chimistes à partir d’autres espèces, au moyen de réactions chimiques. Une espèce synthétique peut être identique à une espèce naturelle (la vanilline de synthèse) ou n’avoir aucun équivalent dans la nature (la plupart des médicaments et des matières plastiques).

Proposition 22.2 (Même espèce, mêmes propriétés)

Une espèce chimique a les mêmes propriétés quelle que soit son origine : la vanilline fabriquée en usine et la vanilline extraite d’une gousse ont la même formule, la même température de fusion, la même odeur. Ce qui peut différer, c’est ce qui l’accompagne : un extrait naturel est un mélange, qui contient beaucoup d’autres espèces modifiant son goût.

Histoire des sciences — De l’écorce de saule à l’aspirine, 1828–1899

Pendant des siècles, on a mâché de l’écorce de saule contre la fièvre et la douleur. En 1828, un chimiste en extrait l’espèce active, la salicine ; les chimistes la transforment ensuite en acide salicylique, efficace mais irritant pour l’estomac. En 1897, dans une entreprise de colorants et de médicaments, Felix Hoffmann fabrique à partir de l’acide salicylique une espèce synthétique plus douce : l’acide acétylsalicylique, vendu à partir de 1899 sous le nom d’aspirine. L’aspirine n’a aucune source naturelle : c’est une espèce purement synthétique.

22.2 Extraire une espèce

Définition 22.3 (Extraction et extraction liquide–liquide)

Une extraction retire une espèce chimique du matériau qui la contient, en général en la dissolvant dans un solvant bien choisi. Lors d’une extraction liquide–liquide, une espèce dissoute dans un liquide est transférée dans un second liquide, non miscible avec le premier, dans lequel elle se dissout mieux ; on sépare ensuite les deux liquides dans une ampoule à décanter.

Exemple 22.4 (Des extractions de tous les jours)

Faire du thé est une extraction par l’eau chaude (infusion) ; faire tremper des gousses de vanille dans l’alcool est une extraction par l’éthanol (macération) ; faire bouillir des légumes pour préparer un bouillon en est une autre (décoction).

Définition 22.5 (Distillation et hydrodistillation)

Une distillation chauffe un mélange liquide jusqu’à l’ébullition, retransforme la vapeur en liquide dans un réfrigérant parcouru par un courant d’eau froide, et recueille ce liquide, le distillat. Une hydrodistillation fait bouillir une matière végétale dans l’eau : la vapeur d’eau entraîne les espèces odorantes de la plante, qui se séparent de l’eau dans le distillat sous forme d’une couche huileuse, l’huile essentielle.

Hydrodistillation de la lavande. La vapeur d’eau entraîne l’huile essentielle dans le réfrigérant ; le distillat se sépare en une fine couche d’huile au-dessus de l’eau.

Méthode 22.6 (Choisir un solvant d’extraction)

Pour une extraction liquide–liquide d’une espèce dissoute dans l’eau, le solvant doit :

dissoudre l’espèce beaucoup mieux que l’eau ;
être non miscible avec l’eau, pour que deux phases se forment ;
être aussi peu dangereux que possible, et facile à éliminer ensuite (une basse température d’ébullition permet de l’évaporer).

Ce sont les masses volumiques qui décident de la phase du dessus : le liquide le moins dense surnage.

Exemple 22.7 (Des solvants pour l’huile de lavande)

Le linalol, principale espèce de l’huile de lavande, ne se dissout qu’à raison de $1.6\,\mathrm{g}/\mathrm{L}$ dans l’eau, mais très bien dans les solvants ci-dessous :

solvant	masse de $1\,\mathrm{mL}$	bout à	avec l’eau	principaux dangers
cyclohexane	$0.78\,\mathrm{g}$	$81\,{}^{\circ}\mathrm{C}$	non miscible	inflammable, nocif
éthanoate d’éthyle	$0.90\,\mathrm{g}$	$77\,{}^{\circ}\mathrm{C}$	non miscible	inflammable, irritant
dichlorométhane	$1.33\,\mathrm{g}$	$40\,{}^{\circ}\mathrm{C}$	non miscible	cancérogène suspecté
éthanol	$0.79\,\mathrm{g}$	$78\,{}^{\circ}\mathrm{C}$	miscible	inflammable

L’éthanol ne convient pas : il se mélange à l’eau et aucune phase ne se forme. Avec le cyclohexane ou l’éthanoate d’éthyle, la phase du solvant est au-dessus ; avec le dichlorométhane, au-dessous.

Une ampoule à décanter après agitation et décantation : l’huile est passée dans le cyclohexane, au-dessus.

Sécurité

Le cyclohexane est très inflammable (GHS02) ; il peut être mortel en cas d’ingestion et de pénétration dans les voies respiratoires, provoque une irritation cutanée et de la somnolence (GHS07, GHS08) ; il est très toxique pour les organismes aquatiques (GHS09). On l’utilise sous une hotte, loin des flammes.

22.3 La chromatographie sur couche mince

Définition 22.8 (Chromatographie sur couche mince)

La chromatographie sur couche mince (CCM) sépare les espèces d’un mélange sur une plaque recouverte d’une fine couche d’une poudre blanche, la phase stationnaire. On dépose de petites taches des échantillons sur un trait de crayon près du bas ; la plaque est placée dans une cuve fermée, dans un peu de solvant, l’éluant, qui monte le long de la plaque et entraîne chaque espèce à une hauteur qui dépend de l’espèce. On révèle ensuite les taches incolores, sous lumière ultraviolette ou avec des vapeurs de diiode.

Définition 22.9 (Rapport frontal)

Le rapport frontal d’une tache est

R_f = \frac{\text{distance de la ligne de dépôt à la tache}} {\text{distance de la ligne de dépôt au front du solvant}},

un nombre compris entre 0 et 1. Pour une plaque, un éluant et une température donnés, chaque espèce a son propre $R_f$ .

Méthode 22.10 (Réaliser et lire une CCM)

Tracer la ligne de dépôt au crayon à papier, à $1\,\mathrm{cm}$ du bas ; y déposer une petite tache de chaque échantillon et de chaque espèce de référence.
Placer la plaque dans la cuve, l’éluant sous la ligne ; fermer la cuve.
Sortir la plaque quand le front est à environ $1\,\mathrm{cm}$ du haut ; marquer aussitôt le front ; sécher et révéler.
Mesurer les distances et calculer le $R_f$ de chaque tache. Un échantillon qui donne une seule tache est probablement une espèce pure ; une tache à la même hauteur qu’une tache de référence sur la même plaque correspond probablement à cette espèce.

CCM de l’huile de lavande (O) à côté du linalol (L) et de l’éthanoate de linalyle (A). L’huile donne deux taches, aux hauteurs des deux références : elle contient les deux espèces. Pour le linalol, R_f = d/D. — CCM de l’huile de lavande (O) à côté du linalol (L) et de l’éthanoate de linalyle (A). L’huile donne deux taches, aux hauteurs des deux références : elle contient les deux espèces. Pour le linalol, $R_f = d/D$ .

22.4 Identifier une espèce par ses constantes physiques

Proposition 22.11 (La température de fusion vérifie l’identité et la pureté)

Un solide pur fond nettement à une température qui lui est propre : la vanilline vers $82\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , l’aspirine à $135\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , l’acide salicylique à $158\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Un échantillon impur fond plus bas, et sur un intervalle de plusieurs degrés. Mesurer une température de fusion, sur un banc Kofler ou dans un appareil de mesure du point de fusion, permet donc à la fois d’identifier un solide et de savoir s’il est pur.

Au laboratoire — Une plaque de CCM

Les élèves déposent de l’huile de lavande, du linalol et de l’éthanoate de linalyle sur une plaque, la développent dans un bocal fermé avec un mélange de solvants choisi par l’enseignant, et la révèlent sous une lampe ultraviolette, en portant des lunettes qui arrêtent les ultraviolets. L’éluant est utilisé et manipulé sous la hotte.

Un champ de lavande en fleur : la matière première de l’huile essentielle de lavande.

22.5 Exercices

Exercice 22.1 ★

Espèce naturelle ou synthétique ? La vanilline d’une gousse de vanille ; l’aspirine ; la caféine des grains de café ; la vanilline fabriquée en usine.

Solution

Solution de Exercice 22.1.

Naturelles : la vanilline d’une gousse, la caféine des grains de café. Synthétiques : l’aspirine, la vanilline d’usine.

Exercice 22.2 ★

Expliquer pourquoi la vanilline de synthèse et la vanilline naturelle ont la même température de fusion.

Solution

Solution de Exercice 22.2.

Ce sont la même espèce chimique, et une espèce a les mêmes propriétés quelle que soit son origine.

Exercice 22.3 ★

Sur une plaque de CCM, le front du solvant est à $6.0\,\mathrm{cm}$ au-dessus de la ligne de dépôt et une tache à $2.4\,\mathrm{cm}$ . Calculer son $R_f$ .

Solution

Solution de Exercice 22.3.

$R_f = 2.4/6.0 = 0.40$ .

Exercice 22.4 ★

Indiquer le rôle du réfrigérant dans une distillation, et expliquer pourquoi l’eau froide entre par son extrémité inférieure.

Solution

Solution de Exercice 22.4.

Il refroidit la vapeur et la retransforme en liquide. En entrant par le bas, l’eau remplit toute la double enveloppe (et rencontre en dernier la vapeur la plus chaude, ce qui refroidit le mieux).

Exercice 22.5 ★

Citer les trois conditions que doit remplir un solvant d’extraction.

Solution

Solution de Exercice 22.5.

Dissoudre l’espèce beaucoup mieux que l’eau ; être non miscible avec l’eau ; être aussi peu dangereux que possible et facile à éliminer.

Exercice 22.6 ★★

À l’aide du tableau des solvants, expliquer pourquoi l’éthanol ne peut pas servir à extraire le linalol du distillat, alors que le cyclohexane le peut.

Solution

Solution de Exercice 22.6.

L’éthanol est miscible avec l’eau : aucune phase ne se forme, on ne peut rien séparer. Le cyclohexane n’est pas miscible avec l’eau et dissout bien le linalol.

Exercice 22.7 ★★

Dans une ampoule à décanter, on agite du dichlorométhane avec de l’eau. Quelle phase est au-dessus ? Justifier à l’aide du tableau.

Solution

Solution de Exercice 22.7.

L’eau est au-dessus : $1\,\mathrm{mL}$ de dichlorométhane pèse $1.33\,\mathrm{g}$ , plus que $1\,\mathrm{mL}$ d’eau : il coule.

Exercice 22.8 ★★

Une poudre blanche vendue comme de l’aspirine commence à fondre à $126\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ et est entièrement fondue à $132\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Que peut-on en conclure ?

Solution

Solution de Exercice 22.8.

Elle fond trop bas (aspirine : $135\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ) et sur un intervalle : l’échantillon est impur, ou ce n’est pas de l’aspirine.

Exercice 22.9 ★★

Observer la figure de CCM de ce chapitre. Que contient l’huile de lavande ? Quelle espèce est montée le plus haut ?

Solution

Solution de Exercice 22.9.

Du linalol et de l’éthanoate de linalyle (ses deux taches sont aux hauteurs des deux références). L’éthanoate de linalyle est monté le plus haut.

Exercice 22.10 ★★

Remettre dans l’ordre les étapes de l’obtention de l’huile de lavande au laboratoire : séparation des phases ; hydrodistillation ; ajout de cyclohexane au distillat et agitation ; évaporation du cyclohexane.

Solution

Solution de Exercice 22.10.

Hydrodistillation ; ajout de cyclohexane au distillat et agitation ; séparation des phases ; évaporation du cyclohexane.

Exercice 22.11 ★★

Expliquer pourquoi la ligne de dépôt d’une plaque de CCM est tracée au crayon à papier et placée au-dessus de l’éluant.

Solution

Solution de Exercice 22.11.

Le crayon à papier ne se dissout pas dans l’éluant ; au-dessus de l’éluant, les taches sont entraînées le long de la plaque au lieu de se dissoudre dans la cuve.

Exercice 22.12 ★★★

Après l’extraction, on élimine le cyclohexane en chauffant doucement, et l’huile reste. À l’aide des températures d’ébullition du cyclohexane et du linalol ( $198\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ), expliquer pourquoi cela fonctionne.

Solution

Solution de Exercice 22.12.

Le cyclohexane bout à $81\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , le linalol à $198\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : un chauffage doux chasse le cyclohexane tandis que le linalol reste.

Exercice 22.13 ★★★

Un échantillon synthétique d’un arôme donne une seule tache sur une plaque de CCM, à la hauteur de l’espèce naturelle, et fond nettement à la bonne température. Quelles conclusions peut-on en tirer ?

Solution

Solution de Exercice 22.13.

L’échantillon est probablement cette espèce (même $R_f$ que l’espèce naturelle sur la même plaque) et probablement pur (une seule tache, fusion nette).

Exercice 22.14 ★★★

Sur la même CCM, la tache A a un $R_f = 0.40$ et le front est à $5.5\,\mathrm{cm}$ au-dessus de la ligne. À quelle hauteur se trouve la tache A ? Une autre espèce a un $R_f = 0.75$ : à quelle distance au-dessus de la tache A se trouve-t-elle ?

Solution

Solution de Exercice 22.14.

$0.40 \times 5.5 = 2.2\,\mathrm{cm}$ . L’autre est à $0.75 \times 5.5 = 4.1\,\mathrm{cm}$ (au millimètre près), donc environ $1.9\,\mathrm{cm}$ au-dessus de A.

Exercice 22.15 ★★★

$1.6\,\mathrm{g}$ de linalol peuvent se dissoudre dans $1\,\mathrm{L}$ d’eau. Un distillat de $200\,\mathrm{mL}$ d’eau contient $0.20\,\mathrm{g}$ de linalol dissous. Est-il saturé ? Combien pourrait-il encore en dissoudre ? Expliquer pourquoi il vaut la peine d’extraire cette eau au cyclohexane plutôt que de la jeter.

Solution

Solution de Exercice 22.15.

$200\,\mathrm{mL}$ peuvent dissoudre $1.6 \times 0.200 = 0.32\,\mathrm{g}$ : avec $0.20\,\mathrm{g}$ , le distillat n’est pas saturé ; il pourrait en dissoudre encore $0.12\,\mathrm{g}$ . Les $0.20\,\mathrm{g}$ dissous seraient perdus avec l’eau ; le cyclohexane, qui dissout bien mieux le linalol, en récupère la plus grande partie.

22.6 Problème : le parfum de la lavande

Problème 22.1

Problème du week-end — d’un panier de fleurs de lavande à quelques gouttes d’huile essentielle, contrôlées par chromatographie

Dans un laboratoire de lycée, on hydrodistille $100\,\mathrm{g}$ de fleurs de lavande fraîches avec de l’eau. Le distillat, trouble, est agité avec $20\,\mathrm{mL}$ de cyclohexane dans une ampoule à décanter ; on garde la phase de cyclohexane, on la sèche, puis on évapore le cyclohexane en chauffant doucement. Ce qui reste est l’huile essentielle de lavande. On utilisera le tableau des solvants de ce chapitre.

Partie I — L’hydrodistillation.

Quel est le rôle de l’eau bouillante dans une hydrodistillation ?
Quel est le rôle du réfrigérant ? Par où l’eau froide y entre-t-elle ?
Le distillat présente une fine couche huileuse qui flotte sur l’eau. L’huile est-elle miscible avec l’eau ? Est-elle plus ou moins dense que l’eau ?
Pourquoi ne se contente-t-on pas de verser le distillat pour récupérer l’huile ?

Partie II — L’extraction.

Pourquoi le cyclohexane est-il un solvant adapté à cette extraction ?
Pourrait-on utiliser l’éthanol à la place ? Expliquer.
Après agitation et décantation, la phase de cyclohexane est-elle au-dessus ou au-dessous ? Qu’en serait-il avec le dichlorométhane ?
Donner deux précautions imposées par les pictogrammes du cyclohexane.
Pourquoi peut-on évaporer le cyclohexane sans perdre le linalol, qui bout à $198\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ?

Partie III — La chromatographie. On dépose l’huile, du linalol pur (L) et de l’éthanoate de linalyle pur (A) sur une plaque de CCM. Après élution, le front est à $6.0\,\mathrm{cm}$ au-dessus de la ligne de dépôt. L’huile donne deux taches, à $2.4\,\mathrm{cm}$ et à $4.5\,\mathrm{cm}$ ; la tache L est à $2.4\,\mathrm{cm}$ , la tache A à $4.5\,\mathrm{cm}$ .

Calculer le $R_f$ du linalol et celui de l’éthanoate de linalyle.
Que contient l’huile, d’après cette plaque ?
L’huile de lavande est-elle un corps pur ?
Pourquoi a-t-on déposé les références sur la même plaque que l’huile ?
On dépose un linalol de synthèse sur une autre plaque éluée dans les mêmes conditions : sa tache a un $R_f = 0.40$ . Que peut-on en conclure ?

Partie IV — Combien d’huile ? L’huile obtenue occupe $1.0\,\mathrm{mL}$ ; $1\,\mathrm{mL}$ de cette huile pèse $0.90\,\mathrm{g}$ .

Quelle masse d’huile a-t-on obtenue ?
Quel pourcentage de la masse des fleurs cela représente-t-il ?
Quelle masse de fleurs faudrait-il pour obtenir $100\,\mathrm{g}$ d’huile ?
On dit de cette huile qu’elle est « naturelle ». En quel sens est-ce vrai ? Son linalol est-il différent du linalol de synthèse ?
Donner la masse d’huile essentielle obtenue à partir de $100\,\mathrm{g}$ de fleurs.

Solution

Solution de Problème 22.1.

1. Sa vapeur entraîne les espèces odorantes hors des fleurs et jusque dans le réfrigérant.

2. Il refroidit la vapeur pour la retransformer en liquide ; l’eau froide entre par l’extrémité inférieure.

3. Non miscible ; moins dense que l’eau (elle flotte).

4. La couche est très fine et une partie de l’huile est dissoute dans l’eau ou dispersée dans celle-ci : une extraction permet de la récupérer.

5. Il dissout bien le linalol, n’est pas miscible avec l’eau, et bout à basse température ( $81\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ) : il est donc facile à éliminer.

6. Non : l’éthanol se mélange à l’eau et aucune phase ne se forme.

7. Au-dessus ( $0.78\,\mathrm{g}$ par mL, moins que l’eau). Avec le dichlorométhane ( $1.33\,\mathrm{g}$ par mL), la phase du solvant serait au-dessous.

8. Pas de flamme à proximité (inflammable) ; travailler sous la hotte avec des gants, et récupérer les déchets au lieu de les verser dans l’évier (toxique pour les organismes aquatiques).

9. Le cyclohexane bout à $81\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , le linalol à $198\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : un chauffage doux n’élimine que le solvant.

10. $R_f(\text{L}) = 2.4/6.0 = 0.40$ ; $R_f(\text{A}) = 4.5/6.0 = 0.75$ .

11. Du linalol et de l’éthanoate de linalyle.

12. Non : elle contient au moins deux espèces ; c’est un mélange.

13. Pour que toutes les taches soient éluées dans les mêmes conditions : c’est seulement ainsi que l’on peut comparer les hauteurs.

14. Son $R_f$ est égal à celui du linalol dans les mêmes conditions : c’est probablement du linalol, identique à l’espèce naturelle.

15. $1.0 \times 0.90 = 0.90\,\mathrm{g}$ .

16. $0.90/100 = 0.90\,\%$ .

17. $100/0.009 \approx 11\,000$ g, soit environ $11\,\mathrm{kg}$ de fleurs.

18. Elle est extraite d’une plante, sans transformation chimique. Mais son linalol est la même espèce que le linalol de synthèse : même formule, mêmes propriétés.

19. $0.90\,\mathrm{g}$ d’huile essentielle à partir de $100\,\mathrm{g}$ de fleurs.

Termes définis dans ce chapitre

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