Techniques de Séparation des Mélanges

Ce document présente diverses techniques utilisées pour séparer les constituants de mélanges, une opération courante et essentielle en chimie, biologie et industrie.

Les mélanges sont des substances comprenant au moins deux composants non liés chimiquement. La nécessité de purifier ou d'isoler certains composants conduit à l'utilisation de techniques de séparation variées. Le choix de la technique dépend de la nature du mélange (hétérogène ou homogène), des propriétés des substances à séparer et de leurs phases.

Types de Mélanges

Un mélange peut se présenter sous deux formes principales :

• Mélange Hétérogène : Forme deux ou plusieurs phases visibles.
• Plusieurs phases distinctes.
• Substances réparties de manière non uniforme.
• Propriétés non identiques en tout point du mélange.
• Mélange Homogène : Les différents constituants ne peuvent être distingués à l'œil nu après agitation.

Classification des Techniques de Séparation

Les techniques de séparation peuvent être regroupées en trois catégories principales :

Techniques de Séparation Physiques

1. Évaporation

L'évaporation est un processus qui consiste à éliminer la partie liquide d'un mélange en la transformant en gaz. Cela peut être fait naturellement à température ambiante ou accéléré par chauffage.

• Permet la récupération d'une partie solide d'un mélange hétérogène ou du soluté solide d'une solution.
• Permet de concentrer le soluté d'une solution.

2. Décantation

La décantation est une technique utilisée pour séparer des liquides non miscibles ayant des masses volumiques (densités) différentes.

• Les liquides sont laissés au repos dans une ampoule à décanter.
• Le liquide le plus dense se déplace vers le bas, tandis que le moins dense reste en haut.

3. Tamisage

Le tamisage est une méthode de séparation des constituants d'un mélange de substances solides basée sur la taille des particules, à l'aide d'un tamis.

• Le tamis retient les particules plus grandes que ses mailles, laissant passer les plus petites.
• Exemple : Séparation de sable fin et de cailloux.
• Application : L'analyse granulométrique permet d'identifier et de classer les sols en fonction de la taille de leurs particules.
• Appareillage : Balance, tamis de différentes mailles (de 0.08 mm à 80 mm), vibreur de tamis.
• Les dimensions des tamis suivent une progression géométrique de raison 1/10 (ou 1,259 entre mailles successives).

4. Broyage

Le broyage consiste à réduire un solide en grains plus petits par choc ou écrasement, souvent réalisé avec un mortier et un pilon.

• Le pilon broie les plus gros morceaux.
• Le mortier permet de récupérer tous les constituants broyés.

5. Filtration

La filtration sépare les constituants d'un mélange où l'un est liquide et l'autre solide, en utilisant un filtre qui retient les particules solides plus grandes que ses pores.

• Le liquide qui passe est le filtrat.
• Le solide retenu est le résidu.

Types de Filtration :

1. Filtration gravimétrique (Filtration par gravité) :
   • Utilise la gravité pour faire passer le liquide à travers un filtre (souvent en papier conique ou plissé) dans un entonnoir.
   • Le liquide obtenu est homogène.
   • Les pores du papier filtre sont très petits, retenant les grosses particules.
   • Inconvénients : Lenteur, difficulté à récupérer la phase solide si peu abondante, séparation incomplète (le solide retient du liquide).
2. Filtration sous vide :
   • Augmente la vitesse de filtration en créant une dépression en aval du matériau filtrant.
   • Utilise des entonnoirs Büchner (en porcelaine ou plastique) adaptés sur une fiole à succion.
   • Un filtre circulaire en papier est placé sur le tamis de l'entonnoir Büchner.
   • Les verres frittés, avec des disques en verre de porosité fixe, sont utilisés dans des conditions de pH extrêmes, sauf avec l'acide fluorhydrique.
3. Filtration sous pression :
   • Augmente la vitesse de filtration en exerçant une pression sur le liquide à filtrer en amont d'une membrane filtrante.
   • Évite le moussage et l'évaporation du solvant, courante dans l'industrie.
   • Des cartouches filtrantes (type Millipore) peuvent être adaptées sur une seringue pour des petits volumes.
   • La microfiltration stérilisante utilise un dispositif comme le Swinnex Millipore.

6. Centrifugation

La centrifugation est un procédé de séparation basé sur la différence de densité des composés d'un mélange, en les soumettant à une force centrifuge par accélération autour d'un axe.

• L'appareil est une centrifugeuse, équipée d'un axe de rotation actionné par un moteur, souvent avec un système de réfrigération et/ou de vide.
• Les tubes à centrifuger sont placés dans des rotors.

Types de Rotors :

1. Rotors libres : Les tubes sont verticaux à l'arrêt et perpendiculaires à l'axe en rotation. Adaptés aux faibles vitesses et grands volumes.
2. Rotors à angle fixe : Les tubes sont en position oblique fixe. Adaptés aux vitesses élevées et petits volumes.

Consignes de Sécurité pour la Centrifugation :

• Les tubes doivent être disposés symétriquement et équilibrés (même forme, même masse).
• Chaque rotor a une vitesse maximale. Un déséquilibre peut entraîner de graves incidents (rupture de l'axe, expulsion du rotor).

Principes Physiques de la Centrifugation :

• Le coefficient de sédimentation (unité : Svedberg, $10^{-13}$ s) indique la vitesse de sédimentation d'une particule, dépend de sa masse, de la densité du solvant (poussée d'Archimède) et des forces de frottement.
• Forces agissant sur une particule en mouvement dans un rotor : $F_p$ (pesanteur), $F_a$ (poussée d'Archimède), $F_v$ (force de friction), $F_c'$ (force centripète), $F_c$ (force centrifuge).
• Force centrifuge : $F_c = a \cdot m$.
• Accélération : $a = \omega^2 \cdot r$ (où $\omega$ est la vitesse angulaire en Rad/s et $r$ le rayon en m).
• Vitesse angulaire : $\omega = 2\pi \cdot n$ (où $n$ est le nombre de tours par seconde).
• Amplification de l'accélération en nombre de g : $Z = \omega^2 \cdot r / g = (2\pi \cdot n)^2 \cdot r / g = 4\pi^2 \cdot n^2 \cdot r / g$.
• Calcul du nombre de tours par seconde : $n = \sqrt{ Z \cdot g / 4\pi^2 \cdot r }$.
• Calcul du nombre de tours par minute (rpm) : $n_{rpm} = 60 \cdot \sqrt{ Z \cdot g / 4\pi^2 \cdot r }$.

Types de Centrifugation :

1. Centrifugation simple : Sépare un culot (particules sédimentées) d'un surnageant (liquide). Pour les très petites particules, on peut augmenter leur masse par précipitation.
2. Centrifugation différentielle : Utilise plusieurs cycles de centrifugation à vitesses croissantes pour séparer des particules de tailles et masses différentes. Les particules les plus massives sédimentent en premier.
3. Centrifugation à l'équilibre (en gradient de densité) : Les particules migrent jusqu'à une zone où leur densité est égale à celle du milieu. Cela crée un gradient de concentrations, souvent avec du saccharose ou du chlorure de césium. Chaque groupe de particules se localise à une hauteur précise selon sa densité.
4. Ultracentrifugation : Centrifugation à très haute vitesse (jusqu'à $2 \cdot 10^6$ g).
• Ultracentrifugeuses préparatoires : Pour obtenir des macromolécules pures.
• Ultracentrifugeuses analytiques : Pour suivre en temps réel la sédimentation de macromolécules et déterminer des paramètres comme la vitesse de sédimentation ou la masse molaire.
• Nécessitent obligatoirement un système de refroidissement et un système de création de vide.

Applications de la Centrifugation :

• Quotidien : Essorage de la salade, du linge, extraction de jus de fruits.
• Industrie alimentaire : Séparation de la crème du lait (écrémage), clarification de boissons, extraction d'huiles.
• Laboratoires : Récupération de précipités, séparation de composés cellulaires et macromolécules.

Techniques de Séparation par Membrane

Ces techniques reposent sur l'utilisation de membranes avec des pores de taille spécifique pour séparer les molécules.

1. Dialyse

La dialyse est une technique séparant deux solutions par une membrane qui laisse passer sélectivement les molécules dont le diamètre est inférieur au diamètre de ses pores.

• Les membranes peuvent être hémiperméables (laissent passer uniquement le solvant) ou dialysantes (diamètre de pores fixe).
• Le transfert de solutés se fait par diffusion passive, suivant le gradient de concentration.
• La vitesse de dialyse est proportionnelle à la concentration en soluté ($dC/dt = -\delta C$).
• Applications : Purification macromoléculaire, concentration protéique, séparation de solutés, décontamination, changement de pH, dessalage, échanges d'ions.
• Mise en œuvre : La substance est placée dans un boudin à dialyse (membrane de cellulose traitée), plongé dans un grand volume de solution tampon. Les molécules diffusibles sortent du boudin jusqu'à équilibre. Cette opération peut être répétée ou réalisée en continu.
• Gradient électrique : Négligeable en pratique, seul le gradient de concentration est pris en compte.
• Osmose : En début de dialyse, si le sac est plus concentré, l'eau entre par osmose. Lorsque les concentrations s'équilibrent, l'osmose diminue.

2. Ultrafiltration

L'ultrafiltration est le transfert actif de soluté et de solvant à travers une membrane sous l'action d'un gradient de pression hydrostatique.

• Pratiquée en hémofiltration (épuration extra-rénale), où une pression positive est exercée sur le sang du patient, forçant l'excès d'eau à traverser la membrane vers le dialysat.

3. Nanofiltration

La nanofiltration utilise des membranes semi-perméables avec un diamètre de pores entre 0,001 et 0,01 micromètre.

• Permet d'éliminer les agents colorants, les ions polyvalents (métaux lourds), les micropolluants organiques (pesticides, nitrates).
• Applications : Dépollution, adoucissement et décoloration de l'eau.
• La filtration dépend du débit et de la taille des pores de la membrane.

4. Électrodialyse

L'électrodialyse est un procédé électrochimique qui extrait les ions d'une solution par migration à travers des membranes sélectives (anioniques ou cationiques) sous l'action d'un champ électrique.

• Les membranes anioniques laissent passer les anions ; les membranes cationiques laissent passer les cations. Les particules non chargées ne sont pas éliminées.
• En plaçant plusieurs membranes en parallèle, on peut concentrer des ions dans certains compartiments et les éliminer dans d'autres.
• Membranes cationiques : polystyrène sulfonate. Membranes anioniques : polystyrène avec ammoniums quaternaires.
• Application : Dessalement d'eau de mer, produisant de l'eau douce et de la saumure. Les ions migrent vers les électrodes opposées, traversant sélectivement les membranes.

5. Hémodialyse

L'hémodialyse met en contact le sang du patient avec un dialysat (liquide artificiel) via une membrane semi-perméable, pour éliminer les substances en excès et l'eau.

• Utilisée en cas d'insuffisance rénale pour épurer le sang des impuretés.
• Le dialysat contient des sels essentiels ($Na^+$, $Ca^{++}$) pour éviter leur sortie du sang.
• Fait appel au principe de l'ultrafiltration.

Techniques Physico-Chimiques

1. Extraction

L'extraction consiste à traiter un mélange (homogène ou hétérogène, liquide ou solide) avec un solvant pur pour en extraire un constituant solide ou liquide.

• Solvants courants : eau, alcools, solvants organiques/chlorés.
• L'opération d'extraction comprend deux parties :
  1. Transfert du composé à extraire du mélange initial vers le solvant d'extraction.
  2. Séparation du solvant d'extraction du mélange principal.

Types d'Extraction :

1. Extraction Liquide-Liquide :
   • Transfert de matière entre deux phases liquides non miscibles sans transfert de chaleur.
   • Une substance dissoute dans un solvant est transférée vers un autre solvant où elle est plus soluble.
   • Condition essentielle : Les solvants (ex: eau et solvant organique) doivent être non miscibles.
   • Extraction discontinue : Agitation vigoureuse du solvant et de la solution à extraire dans une ampoule à décanter. La phase aqueuse est généralement plus dense que la phase organique.
   • Extraction continue : La solution à extraire est alimentée en continu par un solvant pur recyclé par distillation. Utilisée quand le solvant d'extraction est moins dense que la solution à extraire. Le solvant s'évapore, se condense, traverse la solution, se charge en soluté, puis retourne au ballon d'ébullition où il est à nouveau vaporisé.
2. Extraction Solide-Liquide :
   • Transfert d'une espèce chimique d'un solide vers un solvant choisi.
   • Généralement réalisée par chauffage à reflux pour les solides qui ne se laissent pas facilement traverser par un liquide, nécessitant de nombreuses extractions successives.
   • Extracteur de Soxhlet : Permet une extraction solide-liquide très efficace. L'échantillon est mis en contact avec une portion fraîche de solvant, favorisant le déplacement de l'équilibre. Ne nécessite pas de filtration après extraction.
   • Méthodes discontinues d'extraction solide-liquide :
     • Décoction : Le solide est plongé dans un solvant en ébullition. Rapide, réservée aux principes actifs non thermolabiles.
     • Infusion : Solvant chauffé sans ébullition, suivi d'un refroidissement. Ex : préparation du thé.
     • Macération : Infusion à froid. Longue et de rendement souvent médiocre, mais utilisée pour les molécules fragiles.
   • Méthodes continues d'extraction solide-liquide : Plus longues mais plus efficaces.
     • Percolation : Passage lent d'un solvant à travers une couche de substance finement pulvérisée (ex : dans une cartouche de papier poreux).

2. Hydrodistillation

L'hydrodistillation est une méthode d'extraction de composés par entraînement à la vapeur d'eau, principalement utilisée pour les huiles essentielles.

• Processus : La matière première aromatique est plongée dans l'eau et portée à ébullition. Les molécules odorantes sont entraînées par la vapeur d'eau, qui est ensuite condensée par refroidissement.
• Séparation : L'eau et l'huile essentielle se séparent par différence de densité dans une ampoule à décanter.
• Limites : Ne convient pas aux molécules fragiles qui ne supporteraient pas le chauffage.
• Exemple : Obtention d'« eau florale » à partir de fleurs.

3. Distillation

La distillation est une opération de transfert de matière qui sépare les constituants d'un mélange liquide (homogène ou hétérogène) par ébullition suivie de condensation des vapeurs obtenues.

• Basée sur la différence de volatilité (points d'ébullition) entre les constituants.
• Très utilisée dans les domaines agroalimentaire, chimique et pétrochimique.
• Permet de séparer les mélanges solide-liquide (S-L) ou liquide-liquide (L-L).

Principe de la Distillation Simple :

• Chauffage du mélange pour atteindre le point d'ébullition du constituant le plus volatile.
• Vaporisation de ce constituant, puis condensation des vapeurs recueillies dans un autre récipient (distillat).
• Le constituant moins volatile reste sous forme liquide dans le récipient initial (résidu).
• Si les températures d'ébullition sont élevées (> 120°C), une distillation sous pression atmosphérique ne suffit pas ; il faut réduire la pression, car la température d'ébullition diminue avec la pression.
• Exemple : Séparation d'un mélange alcool-eau, l'alcool s'évaporant en premier.

Distillation Fractionnée (Rectification) :

• Sépare des liquides miscibles par fractionnement grâce à la différence de leurs températures d'ébullition.
• Utilise une colonne de séparation (colonne de Vigreux) qui présente des indentations augmentant la surface de contact entre la vapeur montante et le liquide condensé.
• Avantages de la colonne de Vigreux : Meilleure séparation des constituants, distillation plus efficace, meilleure pureté du distillat.
• Processus : Le mélange est chauffé, la vapeur monte dans la colonne de Vigreux, se condense par étapes en fonction des points d'ébullition, et le distillat (le constituant le plus volatil) est recueilli après passage dans un réfrigérant.

4. Chromatographie

La chromatographie est une méthode physico-chimique de séparation basée sur les différentes affinités des composés pour une phase stationnaire et une phase mobile.

• Utilisée pour analyser, séparer, purifier ou doser des composés chimiques.
• L'échantillon est entraîné par la phase mobile à travers la phase stationnaire, qui retient les composés avec des degrés d'interaction différents.
• L'analyse se fait souvent par comparaison avec des substances connues (étalons) pour identifier ou doser.

Types de Chromatographies :

1. Chromatographie d'inclusion-exclusion (Gel filtration ou Tamisage moléculaire) :
   • Sorte de filtration sur un tamis composé de granules poreux (ex: Séphadex, Sépharose).
   • Les molécules sont exclues des pores (grandes molécules) et entraînées rapidement, ou retenues dans les pores (petites molécules) et retardées.
   • Il existe une relation linéaire entre le volume d'élution et le logarithme de la masse moléculaire des composés.
2. Chromatographie échangeuse d'ions
3. Chromatographie d'affinité
4. Chromatographie d'adsorption
5. Chromatographie en couche mince (CCM)
6. Chromatographie sur colonne

Conclusion

Les techniques de séparation des mélanges sont fondamentales dans de nombreux domaines scientifiques et industriels. Qu'elles soient physiques, chimiques ou physico-chimiques, leur sélection rigoureuse en fonction des propriétés des substances et du type de mélange permet d'isoler ou de purifier des composants avec une grande précision. La compréhension de leurs principes et de leurs applications est essentielle pour l'analyse et la préparation de substances pures.

La Faculté des Sciences de Tétouan, Université Abdelmalek Essaadi, propose un module "Atomistique, liaisons chimiques et chimie en solution" en S1, qui inclut les Techniques d'Analyse (S3) présenté par le Pr. Khouzaima El Biari pour l'année universitaire 2025/2026.

Introduction aux Mélanges et Techniques de Séparation

• Les substances naturelles courantes sont souvent des mélanges (ex: eau salée, air).

• La purification est fréquemment nécessaire avant utilisation.

• Les techniques de séparation permettent d'isoler ou de séparer les constituants des mélanges.

• Le choix de la technique dépend du mélange, de la substance à isoler et des phases.

Types de Mélanges

• Mélange Hétérogène:

  • Forme deux ou plusieurs phases visibles.

  • Substances réparties de manière non uniforme.

  • Propriétés non identiques en tout point.

• Mélange Homogène:

  • Constituants non distinguables à l'œil nu après agitation.

Principales Techniques de Séparation

Techniques de Séparation Physiques

1. Évaporation

• Principe: Éliminer la partie liquide d'un mélange en la transformant en gaz.

• Méthodes: Évaporation naturelle à température ambiante ou accélérée par chauffage.

• Application: Récupération de la partie solide d'un mélange hétérogène ou soluté solide d'une solution, concentration d'un soluté.

2. Décantation

• Principe: Séparer des liquides non miscibles ayant des masses volumiques différentes.

• Procédure: Laisser reposer dans une ampoule à décanter; le liquide le plus dense se déplace vers le bas.

3. Tamisage

• Principe: Séparer les constituants d'un mélange de substances solides à l'aide d'un tamis (grillage avec des espaces variables).

• Exemple: Séparation de sable fin et de cailloux.

• Application: Analyse granulométrique pour identifier, classer et nommer les sols.

  • Appareillage: Balance, tamis de différentes mailles (progressions géométriques de raison 1.259), vibreur de tamis.

  • Durée: 3 jours après prélèvement.

4. Broyage

• Principe: Réduire des solides en grains ou en liquide par choc.

• Instruments: Mortier et pilon.

  • Pilon: Broyer les gros morceaux.

  • Mortier: Récupérer tous les constituants.

5. Filtration

• Principe: Séparer les constituants d'un mélange solide-liquide à l'aide d'un filtre.

• Le filtre retient les particules solides plus grosses que ses pores.

• Le liquide qui passe est le filtrat, le solide retenu est le résidu.

• Types de filtration:

  1. Gravimétrique (par gravité)

  2. Sous vide

  3. Sous pression

Filtration Gravimétrique

• Principe: L'eau passe, les particules sont retenues par des mailles.

• Matériel: Entonnoir de laboratoire avec papier filtre (conique ou plissé).

• Limites:

  • Lenteur.

  • Difficulté de récupération de la phase solide si peu abondante.

  • Séparation incomplète (le solide retient du liquide).

Filtration Sous Vide

• Principe: Augmenter la vitesse de filtration en créant une dépression en aval du filtre.

• Matériel: Entonnoirs Büchner (porcelaine/plastique) adaptés sur une fiole à succion; verres frittés.

• Entonnoir de Büchner:

  • Forme cylindrique avec tamis à gros trous.

  • Utilise un filtre circulaire en papier.

• Verres Frittés:

  • Disque en verre fritté de porosité fixe.

  • Utilisé pour des pH extrêmes (ne résiste pas à l'acide fluorhydrique).

Filtration Sous Pression

• Principe: Augmenter la vitesse en exerçant une pression sur le liquide à filtrer en amont d'une membrane filtrante.

• Avantages: Évite le moussage et l'évaporation du solvant.

• Applications: Industrie (souvent utilisé sous forme de cartouches filtrantes), microfiltration stérilisante en laboratoire (dispositif Swinnex Millipore).

Techniques de Séparation Chimiques

Précipitation

• Principe: Former une phase hétérogène (solide) au sein d'une autre phase (liquide) en ajoutant un réactif qui forme une substance solide avec les ions recherchés.

• Application: Séparation d'ions spécifiques, précipitation de biomolécules (protéines au pI, ADN par ajout de NaCl et éthanol).

Techniques Physico-Chimiques

1. Extraction

• Principe: Traiter un mélange (homogène ou non, liquides ou solides) avec un solvant pur pour en extraire un constituant.

• Solvants courants: Eau, alcools, solvants organiques/chlorés.

• Opération en deux parties:

  1. Transfert du composé à extraire vers le solvant d'extraction.

  2. Séparation du solvant d'extraction du mélange principal.

• Types d'extraction:

  • Liquide-Liquide

  • Solide-Liquide

Extraction Liquide-Liquide (Liq-Liq)

• Principe: Transfert de matière entre deux phases liquides non miscibles, sans transfert de chaleur.

• Utilise un solvant d'extraction plus soluble pour la substance à extraire.

• Condition clé: Les deux solvants doivent être non miscibles (ex: eau et solvant organique).

• Types d'extraction Liq-Liq:

  • Extraction discontinue:

    • Agitation vigoureuse du solvant et de la solution dans une ampoule à décanter.

    • La phase aqueuse est généralement plus dense que les phases organiques.

  • Extraction continue:

    • Solution alimentée par un solvant pur recyclé par distillation.

    • Utilisée lorsque le solvant d'extraction est moins dense que la solution à extraire.

    • Les vapeurs de solvant condensées traversent la solution de bas en haut, se chargeant en soluté.

Extraction Solide-Liquide (Sol-Liq)

• Principe: Extraire une espèce chimique d'un solide vers un solvant choisi.

• Réalisée avec un montage chauffage à reflux.

• Souvent, nécessite de nombreuses extractions successives car les solides sont peu perméables aux liquides.

• Utilise un extracteur de Soxhlet pour une grande efficacité.

  • Avantages du Soxhlet: Contact rapide de l'échantillon avec une portion fraîche de solvant, pas de filtration nécessaire après extraction.

• Méthodes liées à l'extraction discontinue (Sol-Liq):

  • Décoction: Solide plongé dans un solvant mis en ébullition. Rapide, pour principes actifs non thermolabiles.

  • Infusion: Chauffage du solvant sans ébullition, suivi d'un refroidissement (ex: thé).

  • Macération: Infusion dans un solvant à froid. Longue, convient aux molécules fragiles, à l'abri de la lumière/réfrigérateur.

• Méthodes d'extraction continue (Sol-Liq):

  • Percolation: Solvant passe lentement à travers une couche de substance finement pulvérisée (cartouche de papier poreux).

2. Hydrodistillation

• Principe: Distiller un composé par entraînement à la vapeur d'eau.

• Application: Méthode la plus utilisée pour extraire des huiles essentielles.

• Limites: Ne convient pas aux molécules fragiles qui ne résistent pas au chauffage.

• Protocole: Matière première aromatique chauffée avec de l'eau, les molécules odorantes sont entraînées par la vapeur, condensées, puis séparées de l'eau par différence de densité dans une ampoule à décanter.

• L'eau décantée (eau florale) reste très parfumée.

3. Distillation

• Principe: Séparer les constituants d'un mélange liquide (homogène ou hétérogène) par ébullition suivie de la condensation des vapeurs.

• Basée sur la différence de volatilité des constituants.

• Applications: Agroalimentaire, chimie, pétrochimie.

• Permet de séparer les mélanges solide-liquide (S-L) ou liquide-liquide (L-L).

• Le plus volatil s'évapore en premier (distillat), le moins volatil reste (résidu).

• Si pression diminue, température d'ébullition diminue.

• Types de distillation:

  • Simple

  • Fractionnée

Distillation Simple

• Principe: Séparer des liquides dont les températures d'ébullition sont suffisamment différentes (ex: alcool et eau).

• Le composé avec la T° d'ébullition la plus basse s'évapore en premier, est condensé et recueilli.

Distillation Fractionnée (Rectification)

• Principe: Séparer des liquides par fractionnement basé sur la différence de leur température d'ébullition.

• Utilise une colonne de séparation (colonne de Vigreux).

• Colonne de Vigreux:

  • Indentations (bourrelets en verre) augmentent la surface de contact vapeur-liquide.

  • Permet une meilleure séparation des constituants.

  • Plus efficace qu'une simple colonne lisse, aboutit à une meilleure pureté du distillat.

• Les vapeurs montent dans la colonne, les moins volatiles se condensent et retombent, les plus volatiles continuent de monter.

4. Centrifugation

• Principe: Séparer les composés d'un mélange en fonction de leur différence de densité en les soumettant à une force centrifuge.

• Appareil: Centrifugeuse (moteur, axe de rotation, enceinte). Peut inclure un système de réfrigération et de vide.

• Rotors (pour tubes à centrifuger):

  • Libres: Tubes verticaux à l'arrêt, perpendiculaires à l'axe en rotation. Pour faibles vitesses et grands volumes.

  • À angle fixe: Tubes en position oblique fixe. Pour hautes vitesses et petits volumes.

• Sécurité: Les tubes doivent être symétriques et parfaitement équilibrés pour éviter la rupture de l'axe ou l'expulsion du rotor.

• Coefficient de sédimentation (Svedberg, s):

  • Dépend de la masse de la particule, densité du solvant (poussée d'Archimède), forces de frottement (taille et forme de la particule).

• Forces en jeu: Force de pesanteur (), poussée d'Archimède (), force de friction (), force centripète (), force centrifuge ().

• Force centrifuge: (en Newton), avec .

• Accélération relative (Z en g): .

• Vitesse de rotation (n, rotation/min): .

• Types de centrifugation:

  • Simple

  • Différentielle

  • À l'équilibre

  • Ultracentrifugation

Centrifugation Simple

• Résultat: Culot au fond du tube et surnageant.

• Si particules petites, augmenter leur masse par précipitation (agrégats moléculaires).

• Exemple: Centrifugation du sang (plasma, globules blancs, globules rouges).

Centrifugation Différentielle

• Principe: Plusieurs cycles de centrifugation à vitesses croissantes.

• Les particules les plus massives sédimentent en premier (culot), les autres restent dans le surnageant, qui est ensuite centrifugé à des vitesses plus élevées.

Centrifugation à l'Équilibre

• Principe: Les particules migrent jusqu'à une zone où leur densité est égale à celle du milieu (gradient de concentrations ou de densités).

• Chaque groupe de particules se localise à une zone précise.

• Les gradients peuvent être continus ou discontinus (souvent avec saccharose ou chlorure de césium).

• Exemple: Fractionnement de l'ARN de cellules animales en gradient de saccharose.

Ultracentrifugation

• Principe: Centrifugation à très haute vitesse (jusqu'à 2 000 000 g).

• Nécessite obligatoirement un système de refroidissement et de vide.

• Types d'ultracentrifugeuses:

  • Préparatoires: Pour obtenir des macromolécules pures.

  • Analytiques: Pour suivre la sédimentation en temps réel (système optique), déterminer vitesse de sédimentation ou masse molaire.

• Applications de la centrifugation:

  • Quotidien: Essorage de salade/linge, extraction de jus.

  • Industrie alimentaire: Sé

paration crème du lait, clarification de boissons, extraction huiles/matières grasses, miel.

• Laboratoires: Récupération de précipités, séparation de composés cellulaires et macromolécules.

5. Séparation par Membrane

• Principe: Séparer deux solutions par une membrane qui ne laisse passer sélectivement que les molécules de diamètre inférieur à ses pores.

• Membranes:

  • Hémiperméables: Ne laissent passer que le solvant.

  • Dialysantes: Diamètre de pores fixe.

• Le gradient de concentration du soluté gouverne la diffusion.

• La capacité de diffusion dépend de la forme moléculaire, hydratation, charge ionique, polarité.

Dialyse

• Principe: Transfert de solutés par diffusion passive à travers une membrane de dialyse.

• Formule: où est le coefficient de dialyse.

• Applications:

  • Purification macromoléculaire

  • Concentration protéique

  • Séparation de solutés

  • Décontamination

  • Changement de pH

  • Dessalage

  • Échanges d'ions

• Matériel: Boudin à dialyse (membranes de cellulose traitées).

  • La perméabilité est définie par un seuil de poids moléculaire.

• Protocole: Substance dans le boudin plongé dans une solution tampon de grand volume. Répéter l'opération ou changer continuellement la solution externe.

• Osmose: L'eau peut entrer dans le sac si la concentration est plus élevée à l'intérieur, mais elle s'équilibre par la suite.

Ultrafiltration

• Principe: Transfert actif de soluté et de solvant selon un gradient de pression hydrostatique.

• Application: Hémofiltration (épuration extra-rénale), avec pression positive dans le compartiment sanguin et négative dans le dialysat.

• Permet de corriger l'excès de liquide dans le sang.

Nanofiltration

• Principe: Utilise des membranes semi-perméables avec des pores de 0,001 à 0,01 micromètre.

• Applications: Élimination des agents colorants, ions polyvalents (métaux lourds), micropolluants organiques (pesticides, nitrates).

• Utilisée pour la dépollution, l'adoucissement et la décoloration de l'eau.

• Dépend du débit de filtration et de la taille des pores.

Électrodialyse

• Principe: Procédé électrochimique qui extrait les ions d'une solution par migration à travers des membranes sélectives (anioniques ou cationiques) sous l'action d'un champ électrique.

• Les particules sans charge ne sont pas éliminées.

• Membranes: Cationiques (polystyrène sulfonate) ou anioniques (polystyrène avec ammoniums quaternaires).

• Application: Dessalement d'eau de mer. Les ions migrent vers les électrodes opposées, traversant sélectivement les membranes, ce qui permet d'obtenir de l'eau douce.

Hémodialyse

• essentiels (, ).

• Fait appel à l'ultrafiltration.

• Indication: Traitement de l'insuffisance rénale pour éliminer les impuretés et l'eau en excès du sang.

6. Chromatographie

• Principe: Méthode physicochimique de séparation basée sur les différentes affinités des composés pour une phase stationnaire et une phase mobile.

• Objectifs: Analyser, séparer, purifier ou doser des composés chimiques.

• L'échantillon est entraîné par la phase mobile, et est retenu plus ou moins par la phase stationnaire.

• L'analyse se fait souvent par comparaison avec des substances connues ou solutions-étalon.

• Types de chromatographies (quelques exemples):

  • Inclusion-Exclusion (filtration sur gel, tamisage moléculaire)

  • Échangeuse d'ions

  • Affinité

  • Adsorption

  • Couche mince

  • Colonne

Chromatographie d'Inclusion-Exclusion (Gel Filtration/Tamisage Moléculaire)

• Principe: Séparation basée sur la taille des molécules, via des granules poreux.

• Les grosses molécules sont exclues des pores et sont entraînées rapidement.

• Les petites molécules sont retenues dans les pores et sont retardées.

• Granules courantes: SéphadexTM, shépharoseTM.

• Il existe une relation linéaire entre le volume d'élution et le logarithme de la masse moléculaire.