L'extraction liquide-liquide est une technique de séparation par transfert entre deux phases liquides. Lorsque l’analyte recherché est en solution dans une matrice liquide, il est parfois possible de l’extraire en mettant la matrice en présence d’un solvant liquide non miscible choisi pour sa capacité à solubiliser l’analyte. Après l'opération, on récupère deux phases que l’on sépare par décantation. Pour cela, on utilise la classique ampoule à décanter.

Cette méthode permet de séparer des produits ayant des températures d'ébullition très voisines rendant une distillation difficile, mais ayant des propriétés physico-chimiques différentes. Cette méthode d'extraction exploite la différence d'affinité de l’analyte vis-à-vis des deux phases.

On définit le coefficient de partage entre les deux phases, K, qui est égal au rapport de l'activité chimique du soluté dans les deux phases :

En solution diluée, on pourra assimiler l’activité à la concentration, et donc : On démontre facilement que pour un coefficient de partage de 10, une série de trois extractions est largement suffisante.

A coté de ces méthodes classiques, le développement de méthodes plus modernes à permis d’abaisser le coût du traitement des échantillons.

La chromatographie est une technique de séparation d’espèces chimiques différant par leurs comportements physiques vis-à-vis de deux phases.

L'échantillon contenant les espèces à séparer est entraîné par une phase mobile qui peut être liquide, gazeuse, supercritique, le long d'une phase stationnaire qui peut être variable. Chaque espèce étant plus ou moins retenue par la phase stationnaire et plus ou moins entrainée par la phase mobile, elle se déplace à une vitesse propre dépendant de ses caractéristiques et de celles de ces deux phases. Le choix judicieux des phases et le la longueur à traverser va donc permettre, dans l’idéal, à chaque entité chimique de sortir à son tour et séparée des autres. On pourra ensuite appliquer diverses techniques d’analyse sur ces produits purs.

La chromatographie est donc une technique de purification qui peut être utilisée en analyse chimique, mais aussi pour purifier un composé naturel ou synthétisé. On parlera alors de chromatographie préparative.

La cristallisation fractionnée ou recristallisation est une méthode de purification qui repose sur la différence de solubilité entre un composé à purifier et ses impuretés dans un solvant donné.

La solubilité augmentant généralement avec la température, en général, on commence par choisir un solvant dans lequel le composé à dissoudre est soluble à chaud et peu soluble à froid, et dans lequel les impuretés sont solubles même à froid. On dissous alors complètement le composé dans un minimum de solvant chauffé. La cristallisation est, ensuite, provoquée par le refroidissement de la solution qui est saturée. Des impuretés pouvant être piégées dans les cristaux du produit à purifier, on répète cette opération plusieurs fois de suite.

Il est parfois nécessaire de créer des points de début de cristallisation. Pour cela, on passera, sans appuyer, une spatule sur le fond du cristallisoir.

La recristallisation consiste donc à la mise en solution du solide à purifier dans un solvant ou dans un mélange de plusieurs solvants, généralement à l'ébullition, puis au refroidissement de la solution, ce qui entraîne la cristallisation du solide, isolé ensuite par filtration.

La distillation fractionnée est un procédé de séparation par distillations multiples réalisées dans un seul appareil. Son but est de séparer les différents constituants d’un mélange possédant des températures d’ébullition différentes. Elle exploite le même principe que la distillation classique mais se distingue par l'utilisation d'une colonne de séparation, qui permet une meilleure discrimination des constituants du mélange.

La précipitation est la formation d'une phase dispersée hétérogène dans une phase majoritaire. En chimie, cela désigne en général la formation d'un solide dans un liquide.

La présence d'un précipité stable résulte d'un équilibre thermodynamique entre a partie du composé dissous dans la phase majoritaire et la partie en phase solide.

Par exemple si l’on dissous une petite quantité de chlorure de sodium (NaCl) dans l’eau, il se solubilise. À partir d'une quantité donnée, notée Cs, qui dépend de la température, le sel ne se dissout plus. La solution est dite saturée.

Dans le cas où Cs croît avec la température, on peut avoir une dissolution d'un précipité par chauffage qui se reformera au refroidissement de la solution. On parlera alors de recristallisation. C’est ce que l’on observe, par exemple, lorsque lors du refroidissement d’un café sucré, des cristaux de sucre réapparaissent au fond de la tasse.

En chimie analytique, la formation d'un précipité peut caractériser la présence d'une espèce en solution mais aussi permettre de séparer une espèce présente dans un mélange.

L’adsorption, qu’il ne faut pas confondre avec l’absorption, est un phénomène de surface par lequel un composé appelé adsorbats se fixent à la surface d’un solide appelé adsorbant. Cette interaction est rendue possible soit grâce aux liaisons hydrogènes, soit grâce aux interactions de Van der Waals.

Le phénomène inverse, par lequel le composé adsorbé se détache de la surface s’appelle la désorption.

De nombreux solides peuvent servir d’adsorbant. La silice, par exemple, adsorbe très efficacement les composés polaires grâce aux nombreuses liaisons hydrogènes qu’elle peut former. Les argiles et les zéolites sont de bons adsorbants naturels grâce à leur structure cristalline en feuillets. Le charbon actif est un excellent adsorbant des molécules organiques et des gaz.

Une force désigne l'interaction entre deux objets ou deux systèmes. Il s’agit d’une action mécanique qui provoque une accélération. Cette accélération induit une modification de la vitesse. Il peut s’agir d’une augmentation de vitesse, de sa diminution ou du changement de trajectoire. Cette idée est traduite par le fait que la vitesse, tout comme la force, soit représentée par un vecteur qui présente une valeur, une direction et un sens.

Le concept de force va être utile pour prévoir le mouvement d'un objet et cela quelle que soit les causes du mouvement. Il peut par exemple s’agir d’un freinage, de la portance d’une aile, d’une attraction, du mouvement imposé par un moteur. Il est possible d’additionner les forces s'appliquant sur un même point, mais provenant de différentes causes, pour en obtenir une seule. Pour cela, il suffit de faire la somme des vecteurs.

Le point d'application

Une force exerce son action en un point appelé point d'application. Par la suite, l'action de la force va être transmise aux autres points de l'objet par déformation élastique. Par exemple, lorsque l'on pousse une voiture, la force de poussée s’exerce aux points de contact entre les mains et le véhicule. Cette force est ensuite transmise au reste du véhicule qui va se déplacer en entier.

La notion peut s'étendre au cas des surfaces de contact. Le point d'application est alors le barycentre de la surface de contact ; ou dans le cas des forces s’exerçant à distance, comme la gravité, le centre d'inertie de l'objet.

Unité de mesure

L'unité de mesure SI des forces est le newton, symbole N. 1 newton équivaut à 1 kg.m.s^-2. C'est-à-dire qu'un newton est la force qui, appliquée pendant 1s à un objet de 1kg, est capable de modifier sa vitesse de 1m.s^-1.

Quelques exemples de forces

Les phénomènes qui provoquent l'accélération ou la déformation d'un corps sont très divers, on distingue donc plusieurs types de force, mais qui sont tous modélisés par un même objet : le vecteur force. Par exemple, on peut classer les forces selon leur distance d'action :

• Forces de contact
  • pression d'un gaz
  • action de contact d'un objet sur un autre (appuyer, tirer)
  • frottement
• Forces à distance :
  • poids (attraction gravitationnelle)
  • force électromagnétique

Forces élastiques

Dans le cas le plus simple de la déformation élastique, l'allongement ou la compression modérée d'un ressort dans son axe engendre une force proportionnelle à l'allongement relatif, soit :

où k est la constante de raideur du ressort et x est son allongement.

Mesure d'une force

Tous les appareils servant à mesurer une force reposent dans leur principe de fonctionnement sur la troisième loi de Newton, c'està- dire que pour déterminer l'effort nécessaire qu'il faut opposer à la force à mesurer pour atteindre l'équilibre. Dans le cas particulier, du poids, on peut utiliser une balance qui compare le poids à mesurer au poids d'une masse connue. Pour les autres cas, on utilise généralement un dynamomètre qui est en général constitué d'un ressort dont on connaît la raideur k et dont une extrémité est attachée à un point fixe. On applique la force à mesurer sur l'autre extrémité du ressort et l'on mesure la variation de longueur Δl du ressort. On en déduit la force F par la relation que nous avons vue plus haut :

La mesure de la longueur Δl est généralement faite par un comparateur. La force F étant directement proportionnelle à Δl, il suffit de graduer le cadran du comparateur en newtons plutôt qu'en mètres.

Les quatre forces de la nature

L'ensemble des interactions de la matière s'explique par uniquement quatre types de forces :

• La force électromagnétique
• La force gravitationnelle
• L'interaction forte
• L'interaction faible

Les deux dernières n'interviennent que de façon interne au noyau atomique. La force gravitationnelle se manifeste dans la plupart des phénomènes décrits par l'astronomie et la géologie. Toutefois, selon Einstein, la force gravitationnelle est le résultat de la courbure de l'espace-temps par la matière. Enfin, la force électro-magnétique est souvent la seule interaction à intervenir dans de très nombreux phénomène comme en chimie (réactions chimiques), la physico-chimie (dureté de certains matériaux, état liquide, solide ou gazeux de la matière), la mécanique (frottements), l'optique (comportement de la lumière), et tous les phénomènes faisant intervenir l'électricité ou le magnétisme.

La masse d’un objet est un nombre positif caractérisant la quantité de matière d’un objet.

En première approximation, on peut considérer que la masse d’un objet est constante que l’objet soit en mouvement ou immobile. En réalité, la notion de masse recouvre deux grandeurs distinctes. La première est la masse inerte qui quantifie l'inertie du corps. La seconde est la masse grave qui correspond à la contribution du corps à la force de gravitation. Dans les faits ces deux grandeurs distinctes sont expérimentalement vérifiées comme égales à 10− 10% près. On peut donc légitimement parler de la masse d'un corps. En réalité, relativité restreinte montre que la masse est équivalente a une forme d'énergie du corps. Elle n’est pas invariante car, par exemple, la perte d'énergie sous forme lumineuse va correspondre à une perte de masse. La constitution de la matière es est un autre exemple. L’énergie mise en jeu lors de l’agrégation des particules conduisant à nouveau à une perte de masse.

MASSE INERTE

La masse inerte (inertielle) d'un corps est la grandeur physique utilisée pour calculer la force nécessaire pour qu'un corps acquière une accélération. Elle représente la quantification de la résistance du corps aux accélérations.

La relation fondamentale de la dynamique exprime cette idée en indiquant que le produit de la masse par l’accélération et égale à la force nécessaire pour obtenir cette accélération.

MASSE GRAVE

La masse grave est la grandeur utilisée dans le calcul de la force de gravitation. La gravitation étant supposée «universelle», tous les corps s'attirent. Si un corps A à deux fois plus de masse qu'un corps B, alors A engendre une force de gravitation deux fois plus important que B. La force de gravitation est donc proportionnelle à la quantité de matière.

La concentration désigne la proportion d'une espèce.

Concentration molaire ou molarité

La concentration molaire, ou moralité, correspond à la quantité de matière, exprimée en môles par unité de volume.
La concentration molaire c du soluté est ainsi liée à la quantité de matière en nombre de môles n de soluté et au volume V de solution par la relation :
$$c=\frac{n}{V}$$

Concentration moléculaire

La concentration moléculaire correspond au nombre de molécules par unité de volume.
La concentration moléculaire C du soluté est ainsi liée au nombre d'entité n.N_a de soluté et au volume V de solution par la relation :
$$c=\frac{n\cdot N_a}{V}$$

Concentration massique

La concentration massique (notée ρ_X ou C_X pour l'espèce X ) correspond à la masse de matière par unité de volume. Elle est parfois aussi appelée masse volumique en vrac ou apparente.
La concentration massique du soluté est ainsi liée à la quantité de matière en nombre de môles n de soluté et au volume V de solution par la relation :
$${\rho }_X=\frac{m}{V}$$

Concentration pondérale ou molalité

La concentration pondérale correspond à la masse de matière par unité de masse. Il s'agit donc d'une proportion. Elle peut donc être exprimée en tant que telle ou comme un pourcentage. Elle peut aussi s'exprimer en unité de masse par unité de masse (Ex. : g.kg^-1).
La concentration pondérale C du soluté est ainsi liée à la masse m de soluté et à la masse de solution M par la relation :
$$C=\frac{m}{M}$$