Travaux pratiques de chimie générale (partie 4/8)

## Objectifs et prérequis **Objectifs** : À la fin de ce chapitre, l’élève sera capable de : 1. Déterminer expérimentalement le point de fusion d’un corps pur à l’aide d’un capillaire et d’un bain thermostaté, en respectant les consignes de sécurité. 2. Mesurer le point d’ébullition d’un liquide pur avec un thermomètre immergé ou un appareil de distillation simple, en appliquant la correction de pression atmosphérique si nécessaire. 3. Séparer deux liquides immiscibles de densités différentes par décantation, en choisissant l’entonnoir adapté et en contrôlant les phases. 4. Rédiger un compte‑rendu de TP incluant les observations, les résultats numériques, l’estimation des incertitudes et les précautions prises. **Prérequis** : - Notions de matière pure, de changement d’état et de propriétés physiques (masse volumique, pression de vapeur). - Manipulation de verrerie de laboratoire (tube à essai, bécher, entonnoir, pipette). - Utilisation d’un thermomètre à mercure ou à alcool, lecture d’une échelle avec précision de 0,1 °C. - Connaissance des règles de base d’hygiène et de sécurité au laboratoire (port de lunettes, blouse, manipulation des produits chauds ou toxiques). --- ## Introduction contextualisée Dans les industries agro‑alimentaires, pharmaceutiques ou minières du Cameroun, le contrôle de la pureté des matières premières est essentiel. Un point de fusion ou d’ébullition anormal peut signaler la présence d’impuretés, tandis qu’une mauvaise séparation de phases entraîne des pertes de produit ou des risques de contamination. Les travaux pratiques présentés ici reproduisent les opérations de contrôle qualité réalisées dans les laboratoires des usines de transformation du cacao à Douala, des huiles végétales à Yaoundé ou des unités de traitement de l’eau à Garoua. Maîtriser ces techniques permet à l’élève de s’insérer rapidement dans un poste de technicien de laboratoire ou d’assistant de recherche. --- ## I. Mesure du point de fusion ### A. Principe Le point de fusion ($T_f$) d’un corps pur est la température à laquelle le solide et le liquide coexistent en équilibre à pression atmosphérique constante. Pour un composé pur, $T_f$ est net et caractéristique ; la présence d’impuretés abaisse et élargit l’intervalle de fusion (règle de la dépression du point de fusion). > **Définition** : *Point de fusion* : température à laquelle le solide et le liquide sont en équilibre à pression atmosphérique constante (1 atm). ### B. Matériel - Capillaire en verre (diamètre interne ≈ 1 mm, longueur 80 mm) - Bouchon en caoutchouc ou en silicone - Bain thermostaté (huile de silicone ou glycérine) avec agitation - Thermomètre de précision (± 0,1 °C) - Pinces, porte‑éprouvette, bécher de 250 mL - Substance à tester (ex. : acide benzoïque, naphthalène) ### C. Procédure pas à pas 1. **Préparation de l’échantillon** : broyer légèrement le solide, le placer dans le capillaire jusqu’à environ 3 mm de hauteur, puis tasser doucement avec une tige en verre. 2. **Insertion du capillaire** : glisser le capillaire dans le bouchon de façon que l’extrémité inférieure soit immergée dans le bain, l’extrémité supérieure restant visible. 3. **Équilibrage thermique** : régler le bain à une température inférieure de 10 °C au point de fusion attendu ; attendre 2 min pour stabilité. 4. **Chauffage lent** : augmenter la température du bain de 0,5 °C min⁻¹ (ou selon les consignes du professeur). 5. **Observation** : noter la température à laquelle le premier liquide apparaît ($T_{début}$) et celle où le solide a totalement disparu ($T_{fin}$). 6. **Calcul du point de fusion** : $T_f = \dfrac{T_{début}+T_{fin}}{2}$. 7. **Nettoyage** : retirer le capillaire, le rincer à l’acétone puis à l’eau distillée ; sécher à l’air. ### D. Exemple chiffré On mesure la fusion de l’acide benzoïque (point de fusion théorique = 122,4 °C). - $T_{début}$ = 121,6 °C - $T_{fin}$ = 123,2 °C $$T_f = \frac{121,6 + 123,2}{2} = 122,4\ \text{°C}$$ L’écart avec la valeur de référence est nul (± 0,1 °C), ce qui indique une bonne pureté. ### E. Sécurité et hygiène - Porter lunettes de protection et blouse ; le bain chaud peut provoquer des brûlures. - Utiliser une pince pour manipuler le capillaire chaud afin d’éviter le contact direct avec la peau. - En cas de projection d’huile chaude, rincer immédiatement à l’eau froide et consulter le service médical. - Après usage, éliminer les résidus solides selon les procédures de déchets dangereux du établissement (conteneur dédié aux déchets organiques). --- ## II. Mesure du point d’ébullition ### A. Principe Le point d’ébullition ($T_b$) d’un liquide pur est la température à laquelle sa pression de vapeur égale la pression extérieure (habituellement 1 atm). À pression constante, $T_b$ est caractéristique ; une diminution de la pression abaisse $T_b$ (règle de Clapeyron‑Clausius). > **Définition** : *Point d’ébullition* : température à laquelle la pression de vapeur du liquide égale la pression atmosphérique. ### B. Matériel - Ballon à fond rond de 50 mL avec col standard - Condenseur droit (type Liebig) ou simple tube de refroidissement à eau - Thermomètre immergé (plage –10 °C à 250 °C, précision 0,1 °C) - Chauffe‑ballon avec agitation magnétique - Barboteur ou tube à détende pour mesurer la pression atmosphérique (baromètre anéroïde) - Eau distillée, liquide à tester (ex. : éthanol, acétone) - Support, pinces, bec Bunsen ou plaque chauffante ### C. Procédure 1. **Montage** : placer le liquide (≈ 20 mL) dans le ballon, ajouter quelques éclats de pierre ponce pour éviter les sursauts, fixer le thermomètre de façon que son bulbe soit juste au-dessus de la surface du liquide. 2. **Équilibrage de pression** : noter la pression atmosphérique $P_{atm}$ lue au baromètre (ex. : 760 mm Hg). 3. **Chauffage** : augmenter la température progressivement (≈ 2 °C min⁻¹) jusqu’à l’apparition d’un flux régulier de vapeur au condenseur. 4. **Lecture** : lorsque le débit de condensat devient constant, relever la température indiquée par le thermomètre ; c’est $T_b$ observé. 5. **Correction de pression** (si $P_{atm}\neq 760$ mm Hg) : utiliser l’approximation de Clapeyron‑Clausius sous forme linéaire pour de petites variations : $$\Delta T_b \approx \frac{R\,T_b^2}{\Delta H_{vap}}\;\frac{\Delta P}{P_{atm}}$$ où $R=8,314\ \text{J mol}^{-1}\text{K}^{-1}$, $\Delta H_{vap}$ l’enthalpie de vaporisation (J mol⁻¹), $\Delta P = P_{atm}-760$ mm Hg. 6. **Nettoyage** : laisser refroidir, vider le ballon, rincer à l’acétone puis à l’eau distillée. ### D. Exemple chiffré On mesure le point d’ébullition de l’éthanol à Yaoundé où la pression atmosphérique mesurée est $P_{atm}=740$ mm Hg. - $T_b$ observé = 78,0 °C - $\Delta H_{vap}$ de l’éthanol = 38,6 kJ mol⁻¹ - $T_b$ en kelvin = 78,0 + 273,15 = 351,15 K Calcul du facteur : $$\frac{R\,T_b^2}{\Delta H_{vap}} = \frac{8,314 \times (351,15)^2}{38,6\times10^3} \approx \frac{8,314 \times 123\,306}{38\,600} \approx 26,6\ \text{K}$$ $\Delta P = P_{atm}-760 = -20$ mm Hg $$\frac{\Delta P}{P_{atm}} = \frac{-20}{740} \approx -0,0270$$ $$\Delta T_b \approx 26,6 \times (-0,0270) \approx -0,72\ \text{°C}$$ Donc le point d’ébullition corrigé à 760 mm Hg : $$T_b^{corr}=T_b^{obs}-\Delta T_b = 78,0 - (-0,72) = 78,72\ \text{°C}$$ Valeur de référence : 78,37 °C → écart = 0,35 °C (< 0,5 °C), donc acceptable. ### E. Sécurité et hygiène - Utiliser des gants résistants à la chaleur lors de la manipulation du ballon chaud. - Le condenseur doit être alimenté en eau froide débit constant pour éviter la surpression. - En cas de fuite de vapeur inflammable (éthanol, acétone), éteindre toute source d’étincelle et travailler sous hotte. - Après expérimentation, laisser refroidir le matériel avant de le nettoyer ; éliminer les déchets organiques selon la filière de récupération des solvants. --- ## III. Séparation d’un mélange par décantation ### A. Principe Deux liquides immiscibles de densités différentes forment, après agitation, deux phases séparées : la phase la moins dense flotte au-dessus. La décantation consiste à laisser les phases se séparer par gravité puis à recueillir chacune séparément à l’aide d’un entonnoir séparateur. > **Définition** : *Décantation* : opération de séparation de deux liquides immiscibles basée sur la différence de leurs masses volumiques et réalisée sous l’action de la gravité. ### B. Matériel - Entonnoir séparateur en verre de 250 mL avec robinet en PTFE - Support avec serre‑joint - Bécher de 100 mL (pour recueillir les phases) - Pipette graduée ou seringue de 10 mL (pour prélèvements de contrôle) - Deux liquides immiscibles (ex. : eau et huile de palme, ou eau et dichlorométhane) - Étiquettes, marqueur indélébile ### C. Procédure 1. **Préparation** : vérifier que l’entonnoir est propre et sec ; fermer le robinet. 2. **Mélange** : verser les deux liquides (volumes connus, ex. : 80 mL d’eau + 70 mL d’huile de palme) dans l’entonnoir, fermer le bouchon et secouer doucement 20–30 s pour former une émulsion fine. 3. **Repos** : placer l’entonnoir sur le support, laisser reposer 2–3 min jusqu’à apparition claire d’une interface nette. 4. **Écoulement de la phase inférieure** : ouvrir lentement le robinet et laisser s’écouler la phase la plus dense (dans notre cas, l’eau) dans un bécher placé dessous. Fermer le robinet dès que l’interface atteint le niveau du robinet. 5. **Recueil de la phase supérieure** : retirer le bécher, placer un deuxième récipient sous l’entonnoir, ouvrir le robinet pour laisser s’écouler la phase moins dense (huile). 6. **Mesure des volumes** : lire les volumes recueillis dans chaque bécher ; calculer les pertes éventuelles (adhérence aux parois). 7. **Nettoyage** : rincer l’entonnoir à l’acétone puis à l’eau distillée ; sécher à l’air. ### D. Exemple chiffré (séparation eau / huile de palme) Données : - Masse volumique de l’eau à 25 °C : $\rho_{eau}=0,997\ \text{g cm}^{-3}$ - Masse volumique de l’huile de palme à 25 °C : $\rho_{huile}=0,902\ \text{g cm}^{-3}$ Volumes initiaux : $V_{eau}^{i}=80,0\ \text{mL}$, $V_{huile}^{i}=70,0\ \text{mL}$ Après décantation, on mesure : - $V_{eau}^{f}=78,5\ \text{mL}$ - $V_{huile}^{f}=68,0\ \text{mL}$ Pertes : - Eau perdue = $80,0-78,5 = 1,5\ \text{mL}$ (≈ 1,9 %) - Huile perdue = $70,0-68,0 = 2,0\ \text{mL}$ (≈ 2,9 %) Ces pertes sont attribuables à l’adhérence sur les parois de l’entonnoir et à la formation d’une fine émulsion persistante. ### E. Sécurité et hygiène - Porter lunettes et gants nitrile ; certaines phases (solvants chlorés) sont irritantes ou toxiques. - Travailler sous hotte lorsqu’on utilise des liquides volatils ou dangereux. - Ne jamais mélanger des acides forts avec des bases fortes dans l’entonnoir sans neutralisation préalable (risque de dégagement de chaleur et de projections). - Après usage, nettoyer l’entonnoir avec un solvant adapté à la dernière phase utilisée, puis rincer à l’eau distillée. Éliminer les déchets selon la nature des liquides (phase aqueuse → égout, phase organique → conteneur de solvants usés). --- ## Synthèse du chapitre - **Point de fusion** : température de transition solide‑liquide à 1 atm ; mesuré avec capillaire et bain thermostaté ; résultat $T_f=(T_{début}+T_{fin})/2$. - **Point d’ébullition** : température où pression de vapeur = pression extérieure ; mesuré avec thermomètre immergé dans ballon chauffé ; correction de pression éventuelle via équation de Clapeyron‑Clausius. - **Décantation** : séparation de deux liquides immiscibles par différence de masse volumique ; réalisée dans un entonnoir séparateur ; recueil séquentiel des phases inférieure puis supérieure. - **Sécurité** : port de lunettes, blouse, gants ; utilisation de pinces pour objets chauds ; travail sous hotte pour vapeurs toxiques ; élimination conforme des déchets. - **Précision** : lecture du thermomètre à 0,1 °C ; volumes mesurés à ± 0,5 mL ; incertitudes généralement < 1 % pour les points de transition et < 3 % pour les volumes décantés. --- ## Glossaire | Terme | Définition | |-------|------------| | Point de fusion | Température à laquelle un solide pur fond à pression atmosphérique constante. | | Point d’ébullition | Température à laquelle la pression de vapeur d’un liquide égalise la pression extérieure. | | Décantation | Séparation de deux liquides immiscibles par différence de masse volumique sous l’action de la gravité. | | Capillaire | Tube de verre fin utilisé pour contenir un échantillon solide lors de la mesure du point de fusion. | | Entonnoir séparateur | Verrerie munie d’un robinet permettant de recueillir séparément deux phases liquides. | | Enthalpie de vaporisation ($\Delta H_{vap}$) | Quantité de chaleur nécessaire pour vaporiser une mole de liquide à température constante. | | Pression atmosphérique ($P_{atm}$) | Pression exercée par l’air ambiant, généralement exprimée en mm Hg ou hPa. | | Interface | Surface de séparation entre deux phases liquides immiscibles. | | Émulsion | Dispersion fine d’une phase liquide dans une autre, instable sans agent tensioactif. | | Incertitude type | Évaluation de la dispersion des mesures autour de la valeur vraie, exprimée en même unité que la mesure. | --- ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 – Point de fusion Un étudiant mesure le point de fusion de l’acide salicylique. Il obtient $T_{début}=158,2$ °C et $T_{fin}=159,6$ °C. **a)** Calculer le point de fusion moyen. **b)** Comparer avec la valeur de référence (159 °C) et commenter la pureté de l’échantillon. **Corrigé** **a)** $T_f=\dfrac{158,2+159,6}{2}=158,9$ °C. **b)** Écart = $|158,9-159,0|=0,1$ °C, inférieur à l’incertitude typique (± 0,2 °C). L’échantillon est donc considéré comme pur ; aucune dépression notable du point de fusion n’est observée. ### Exercice 2 – Point d’ébullition avec correction de pression À Bafoussam, la pression atmosphérique mesurée est $P_{atm}=735$ mm Hg. On observe le point d’ébullition de l’acétone à $T_b^{obs}=55,8$ °C. La valeur de référence à 760 mm Hg est 56,1 °C. L’enthalpie de vaporisation de l’acétone est $\Delta H_{vap}=30,8$ kJ mol⁻¹. **a)** Calculer la correction de température due à la différence de pression. **b)** Déterminer le point d’ébullition corrigé et vérifier la concordance avec la référence. **Corrigé** Convertir $T_b^{obs}$ en kelvin : $T=55,8+273,15=328,95$ K. $\Delta P = P_{atm}-760 = -25$ mm Hg. $$\Delta T_b \approx \frac{R\,T^2}{\Delta H_{vap}}\;\frac{\Delta P}{P_{atm}}$$ $$\Delta T_b \approx \frac{8,314 \times (328,95)^2}{30,8\times10^3}\times\frac{-25}{735}$$ $$\Delta T_b \approx \frac{8,314 \times 108\,200}{30\,800}\times(-0,0340)$$ $$\Delta T_b \approx 29,2 \times (-0,0340) \approx -0,99\ \text{°C}$$ **b)** $T_b^{corr}=T_b^{obs}-\Delta T_b = 55,8 - (-0,99)=56,79$ °C. Écart avec la référence : $|56,79-56,1|=0,69$ °C, légèrement supérieur à l’incertitude attendue (± 0,5 °C). Cette différence peut provenir d’une légère surchauffe du bain ou d’une lecture du thermomètre légèrement biaisée. ### Exercice 3 – Décantation eau / dichlorométhane Un mélange de 50,0 mL d’eau ($\rho=0,998$ g cm⁻³) et 45,0 mL de dichlorométhane ($\rho=1,33$ g cm⁻³) est placé dans un entonnoir séparateur. Après repos, on recueille 48,2 mL de phase inférieure et 44,0 mL de phase supérieure. **a)** Identifier laquelle des deux phases est l’eau et laquelle est le dichlorométhane. **b)** Calculer les pertes volumiques pour chaque liquide. **c)** Proposer une amélioration expérimentale pour réduire ces pertes. **Corrigé** **a)** La phase la plus dense (dichlorométhane) se trouve en dessous ; donc la phase inférieure de 48,2 mL correspond au dichlorométhane, la phase supérieure de 44,0 mL à l’eau. **b)** Pertes : - Dichlorométhane : $50,0-48,2 = 1,8$ mL (3,6 %). - Eau : $45,0-44,0 = 1,0$ mL (2,2 %). **c)** Améliorations : utiliser un entonnoir à revêtement antiadhésif (PTFE), laisser reposer plus longtemps (5 min) pour permettre une séparation complète, et ouvrir le robinet très progressivement afin d’éviter l’entraînement de l’interface. --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | Situation | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention / correction | |-----------|------------------|-------------|----------------------------------| | Mesure du point de fusion | Tassement trop fort de l’échantillon dans le capillaire | Élargissement artificiel de l’intervalle de fusion, lecture incertaine | Tasser légèrement ; vérifier que la hauteur d’échantillon ne dépasse pas 3 mm. | | Mesure du point d’ébullition | Thermomètre non immergé assez profondément (bulbe au-dessus de la surface) | Lecture d’une température inférieure au vrai point d’ébullition | Plonger le bulbe juste au-dessus de la surface du liquide, en évitant le contact avec les parois du ballon. | | Décantation | Ouverture trop brusque du robinet | Mélange des phases, perte de produit et formation d’émulsion | Ouvrir le robinet goutte à goutte ; observer l’interface avant de laisser couler davantage. | | Manipulation de liquides chauds | Absence de pincettes ou de gants résistants à la chaleur | Brûlures cutanées | Toujours utiliser des pinces pour tenir le capillaire ou le ballon chaud ; porter des gants adaptés. | | Travail avec solvants volatils (acétone, dichlorométhane) | Absence de hotte ou de ventilation adéquate | Inhalation de vapeurs toxiques, risque d’incendie | Effectuer les manipulations sous hotte de laboratoire ; garder éloigné toute source de flamme ou d’étincelle. | | Nettoyage de la verrerie | Utilisation d’eau chaude sur du verre encore chaud | Risque de choc thermique et de fissure | Laisser refroidir la verrerie avant de la rincer à l’eau tempérée ou à l’acétone. | --- *Fin du cours.*