2nde. F2. Lutter contre le dopage

Les élèves doivent savoir
  • Interpréter les informations provenant d’étiquettes et de divers documents.
  • Élaborer ou mettre en œuvre un protocole d’extraction à partir d’informations sur les propriétés physiques des espèces chimiques recherchées.
  • Utiliser une ampoule à décanter, un dispositif de filtration, un appareil de chauffage dans les conditions de sécurité.
  • Réaliser et interpréter une chromatographie sur couche mince (mélanges colorés et incolores).
  • Pratiquer une démarche expérimentale pour déterminer la concentration d’une espèce (échelle de teintes, méthode par comparaison).

Mise en situation

Raphaël a participé à une compétition sportive et il a eu un contrôle sanguin pour vérifier s’il n’était pas dopé. Ne prenant aucune substance illicite, il a passé le test sans encombre, mais aimerait savoir comment sont analysés les résultats de ce genre de test et comment on peut déterminer le type de substances qui se trouvent dans le sang.

Lors d’une analyse sanguine ou urinaire, il faut pouvoir séparer les constituants du mélange avant de pouvoir les analyser. Pour cela on peut utiliser différents procédés : décantation, filtration, distillation… L’analyse finale peut se faire sur les différences de densités, de températures de changement d’états ou par chromatographie sur couche mince.

Différences entre espèces chimiques

Les espèces chimiques peuvent être de deux natures principales :

  • Origine naturelle : elles sont extraites d’espèces animales, végétales ou de minéraux par divers moyens physiques. (Exemple : Saccharose extrait de betterave ou de la canne à sucre).
  • Origine synthétique : elles sont fabriquées par une série de réactions chimiques et peuvent alors être la copie d’une substance naturelle (exemple : la vanilline qui copie l’arôme de vanille naturel) ou être totalement artificielles (exemple : le Téflon qui sert de revêtement de surface pour de nombreuses applications).

Ces espèces chimiques peuvent se présenter comme étant composées d’une seule substance, on parle alors de corps purs, ou comme un mélange de plusieurs substances.

  • Un corps pur ne contient qu’une seule sorte de substance
  • Un mélange contient plusieurs substances. Celles-ci peuvent être visibles (mélange hétérogène) ou invisibles (mélange homogène).

Il est généralement indispensable d’isoler les espèces chimiques sous formes de corps purs pour pouvoir les identifier facilement.

Retour sur les états physiques

Une espèce chimique peut se présenter sous trois états physiques : solide, liquide ou gazeux (dans les conditions de pressions et de températures « normales », c’est à dire celles que l’on trouve généralement sur Terre).

4e molécules et cgt etat

Le passage d’un état physique à un autre dépend de la température. Cette température traduit la quantité d’énergie dont dispose un corps et qui agit sur les éléments qui composent le corps (atomes, ions ou molécules). Moins un corps possède d’énergie et moins ses éléments sont mobiles. A basse température les éléments chimiques seront généralement solides, avant de passer à l’état liquide si on leur fournit de l’énergie, puis à l’état gazeux si on continue à leur fournir de l’énergie.

chgt etat

Le passage d’un corps pur d’un état physique à un autre se fait à une température qui dépend de ce corps pur (et de la pression atmosphérique).

Quand un corps pur change d’état, comme vu en classe de 5e, la température se stabilise tant que tous les constituants de ce corps pur n’ont pas gagné ou perdu l’énergie nécessaire à ce changement d’état.

Il est donc possible d’utiliser ces températures de changements d’état pour identifier un corps pur. On peut, par exemple, utiliser un banc Kofler pour identifier des corps purs solides grâce à leur température de fusion.

Exemples de températures de changement d’état de quelques corps purs :

Corps pur Température de fusion Température d’ébullition
Eau 0 °C 100 °C
Ethanol -114 °C 79 °C
Fer 1538 °C 2861 °C
Mercure -39 °C 357 °C

Caractéristiques physiques des espèces chimiques

La première information qui peut aider à l’identification d’une espèce chimique est son aspect : sa couleur, sa texture, son état physique.

Lorsqu’il faut identifier des espèces qui ressemblent à d’autres espèces, on peut se baser sur leurs propriétés physiques. Nous avons déjà vu la solubilité dans les chapitres précédents (A5. Comprendre une analyse de sang) et les températures de changements d’états, mais d’autres informations peuvent permettre une identification.

La masse volumique

La masse représente la quantité de matière d’un objet. Son unité dans le S.I. (Système International d’unités) est le kilogramme (kg).

Le volume représente la place qu’occupe un objet. Son unité dans le S.I. est le mètre cube (m3) mais en chimie on utilise couramment le litre (L), avec la relation :
1 L = 1 dm3 =10-3 m3

Pour traduire le fait que le même volume de différentes espèces chimiques n’a pas la même masse, on utilise la notion de masse volumique : la masse d’un certain volume de matière. La masse volumique est identifiée par la lettre grecque ρ (qui se prononce « rho »).

Il s’en suit la relation suivante : \rho={{m}\over{V}}

Unités :

  • ρ : Masse volumique en kilogramme par mètre cube (kg.m-3)
  • m : Masse en kilogramme (kg)
  • V : Volume en mètre cube (m3)

Masse volumique de quelques espèces chimiques :

Espèce chimique Masse Volumique en kg.m-3
Eau 1000
Acétone 800
Mercure 13546
Or 19300

Remarque : le volume d’un liquide ou d’un gaz dépend fortement de la température (plus légèrement pour un solide). Les données du tableau ci-dessus correspondent donc à des valeurs pour une température de 0 °C (273 °K).

La densité

Lorsqu’on cherche à mélanger deux liquides, deux choses peuvent se produire : ils forment un mélange homogène ou ils ne se mélangent pas et forment un mélange hétérogène où les deux liquides seront nettement visibles, l’un étant au-dessus de l’autre, comme dans le cas d’un mélange d’huile avec de l’eau.

Lorsqu’un mélange de deux liquides est homogène, on dit que les liquides sont miscibles.

Lorsqu’un mélange de deux liquides est hétérogène, on dit que les liquides ne sont pas miscibles. Ils forment alors deux « phases » et se disposent en fonction de leur densité.

La densité est une grandeur relative qui traduit la comparaison de la masse volumique d’une espèce chimique par rapport à celle de l’eau (à 4 °C), qui sert de référence. La densité est notée d et est un nombre sans unité puisqu’il s’agit d’un rapport :

d={{\rho}\over{\rho_{eau}}}

Unités :

  • d : densité sans unité
  • ρ : Masse volumique en kilogramme par mètre cube (kg.m-3)
  • ρeauMasse volumique de l’eau à 4 °C en kilogramme par mètre cube (kg.m-3)

Densité de quelques espèces chimiques :

Espèce chimique densité
Eau 1
Acétone 0,8
Huile d’arachide 0,92
Or 19,3

Dans un mélange contenant deux phases, le corps le plus dense se trouve toujours en-dessous du corps le moins dense.

Cette propriété est très intéressante pour séparer deux liquides par décantation à l’aide d’une ampoule à décanter :

ampoule décanter

Méthodes d’extraction

Revenons à nos tests anti-dopage. Si l’on cherche, par exemple, à extraire la caféine présente dans un mélange, on va utiliser la macération dans l’éthanoate d’éthyle (solvant organique insoluble dans l’eau mais dans lequel la caféine est très soluble). Il suffira ensuite de séparer les deux phases obtenues par décantation. Selon le type d’éléments examinés, on peut faire appel à plusieurs techniques différentes. Par exemple pour l’extraction d’arômes :

Infusion : Cette méthode consiste à placer des éléments d’une plante (feuilles par exemple) dans un solvant bouillant (eau, huile, alcool…) et à laisser refroidir pour que les éléments aromatiques se dissolvent dans le solvant.

infusion

Macération : Utilisé pour les espèces chimiques sensibles à la chaleur, cette technique consiste à laisser séjourner un solide, dont on veut extraire les composés solubles, dans un solvant froid. On peut accélérer la dissolution par agitation.

maceration

Décoction : Les plantes sont placées dans le solvant froid qui est portée à ébullition pendant une durée variable. On utilise cette technique pour les parties dures d’une plante : écorce, racines, graines…

Enfleurage : Cette technique a surtout été utilisée pour récupérer les molécules odorantes de certaines fleurs très fragiles. Elle consiste à placer les fleurs une par une sur une plaque recouverte de graisse. Le parfum des fleurs va imbiber cette graisse que l’on récupère ensuite pour la faire fondre avant de la traiter à l’alcool pour récupérer le parfum.

Hydrodistillation : Les molécules odorantes sont entrainées par la vapeur du solvant (de la vapeur d’eau dans le cas de l’hydrodistillation) avant d’être condenser en passant dans un réfrigérant (généralement à eau froide). Le liquide ainsi distillé est appelé distillat.

hydrodistillation

Méthodes de séparation

Pour séparer deux espèces chimiques, il existe également plusieurs techniques qui vont dépendre de la façon dont les espèces sont mélangées au départ.

Pour séparer des mélanges hétérogènes d’un solide et d’un liquide, on peut procéder par filtration avec un entonnoir et un filtre. Pour accélérer cette filtration on procède parfois à une filtration sous pression réduite avec une fiole à vide qui possède un embout pouvant se raccorder à une trompe à eau qui va créer une dépression pour aspirer le liquide dans la fiole.

filtration pression reduite

Lorsque le mélange est hétérogène et formé de deux liquides, on sépare par décantation avec une ampoule à décanter.

Pour séparer les constituants d’un mélange homogène, il faut combiner des techniques : On utilise les différences de solubilités d’une espèce chimique en fonction du solvant et on fait passer ainsi une espèce dans un solvant qu’il sera facile de séparer par décantation.

Mise en situation

En attendant que son médecin trouve les origines de ses malaises, Madame X a fini par s’intéresser de plus près à son alimentation et elle se demande si des substances présentes dans ses aliments ne pourraient pas être mauvaises pour sa santé. Consommant beaucoup de bonbons colorés, elle va s’intéresser aux colorants alimentaires qu’ils contiennent. Mais comment savoir quels sont ces colorants puisque certains d’entre eux sont des mélanges de couleurs ?

Séparation par chromatographie

Lorsque deux substances forment un mélange liquide homogène, il est possible de procéder à une séparation par chromatographie sur couche mince.

On utilise pour cela la propriété qu’ont certains liquides, nommés éluants, à entrainer des espèces chimiques sur une surface fixe et poreuse (papier filtre, silice, gélatine…) par un phénomène appelé capillarité (comme l’encre qui imbibe le papier buvard ou l’eau d’une inondation qui remonte le long des murs en plâtre d’une maison).

Les différentes espèces d’un mélange n’ont pas la même composition et vont monter à des vitesses différentes, entrainées par l’éluant.

De cette façon on peut, par exemple, séparer les couleurs d’un mélange de colorant, mais aussi des substances qui ne sont pas visibles directement, par exemple la caféine, mais que l’on pourra mettre en évidence après application d’un révélateur (qui va réagir avec les substances pour les rendre visibles), ou en observant le résultat, nommé chromatogramme, avec une lampe à ultraviolet.

On identifie les substances en comparant leur chromatogramme avec un chromatogramme témoin des substances que l’on pense trouver et en certifiant cette identification par le calcul et la comparaison des rapports frontaux des différentes substances :

chromatographie ccm2

Le rapport frontal R est un nombre sans unité qui est relatif à la hauteur des tâches et qui ne dépend donc pas de la taille de la plaque ou de la durée de la chromatographie.

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