distillation

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Présentation

distillation, procédé de séparation consistant à chauffer un liquide jusqu’à ce que ses constituants les plus volatils — ceux qui ont le point d’ébullition le plus bas — passent en phase vapeur, cette dernière étant ensuite condensée pour récupérer les constituants devenus liquides par condensation.

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Principe

La distillation est une méthode très utilisée pour séparer les constituants d’un mélange liquide de volatilités différentes. Contrairement à l’évaporation, dont le but est de recueillir le composant le moins volatil par élimination de l’autre composant, la distillation est suivie d’une condensation des composés à récupérer. Par exemple, la séparation de l’eau et de la glycérine est réalisée par évaporation de l’eau, et la séparation de l’eau et de l’alcool est effectuée par distillation du mélange, l’alcool étant le constituant le plus volatil. Dans les deux cas, on utilise les mêmes appareillages.

Lorsque la différence de volatilité — et donc de point d’ébullition — entre les deux composants est grande, une séparation complète peut être effectuée par une seule distillation. L’eau de mer, par exemple, contient environ 4 p. 100 de solides dissous (principalement du sel courant). Elle est facilement purifiée par vaporisation de l’eau. On condense ensuite la vapeur d’eau et on recueille de l’eau distillée. Dans de nombreuses applications, cette eau est équivalente à l’eau pure, même si la première contient en réalité des impuretés sous forme de gaz dissous, dont le plus important est le dioxyde de carbone.

Dans un mélange liquide, lorsque les points d’ébullition des composés diffèrent très légèrement, une séparation complète ne peut être atteinte en une seule distillation. L’exemple courant est la séparation des constituants d’un mélange eau-alcool. Sous pression atmosphérique normale (760 mm de mercure), l’eau bout à 100 °C et l’alcool bout à 78,5 °C. Lorsqu’un tel mélange est porté à ébullition, la vapeur formée contient les deux composés mais est plus riche en alcool (composé le plus volatil des deux) qu’en eau. Pour concentrer une solution d’alcool à 10 p. 100 (telle qu’elle peut être obtenue par fermentation), ou pour obtenir une solution à 50 p. 100 (utilisée pour le whisky), le distillat, c’est-à-dire le liquide obtenu par condensation de la vapeur formée au cours de la distillation, doit être redistillé une ou deux fois. Pour obtenir l’alcool industriel (pur à 95 p. 100), un grand nombre de distillations successives sont nécessaires.

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Loi de Raoult

Dans un mélange de deux liquides miscibles, la volatilité de chaque composé est la volatilité du composé pur. Dans ce cas, le point d’ébullition d’un mélange 50/50 serait à mi-chemin entre les points d’ébullition des substances pures, et le degré de séparation obtenu par une seule distillation dépendrait uniquement de la tension de vapeur, ou de la volatilité des composés à cette température. Cette relation élémentaire fut établie pour la première fois par le chimiste français François Marie Raoult (1830-1901).

La loi de Raoult s’applique uniquement aux solutions dites « idéales », c’est-à-dire aux mélanges de liquides qui ont une structure chimique semblable, comme le benzène et le toluène. Dans la plupart des cas, on observe de grands écarts par rapport à cette loi. Ainsi, si un composé est légèrement soluble dans l’autre, sa volatilité augmente lorsque les deux composés sont mélangés. La volatilité de l’alcool en solution aqueuse diluée est supérieure à celle prédite par la loi de Raoult ; plus la solution est concentrée, plus l’écart est important : la distillation d’un alcool à 99 p. 100 produit de la vapeur qui contient moins de 99 p. 100 d’alcool. C’est pourquoi l’alcool ne peut pas être concentré par distillation au-delà de 97 p. 100, même avec un nombre infini de distillations.

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Appareillage

Les appareils de distillation ont pour but de réaliser le meilleur échange de matière entre le liquide et la vapeur qui se croisent. Techniquement, un alambic est un récipient dans lequel les liquides sont portés à ébullition pendant la distillation. Cependant, ce terme est parfois utilisé pour désigner l’appareillage entier, à savoir la colonne de fractionnement, le condenseur et le récepteur, qui reçoit le distillat. Par extension, on appelle également alambic l’appareillage utilisé pour la distillation destructive, ou craquage.

Les alambics de laboratoire sont généralement en verre. Dans l’industrie, ils sont souvent en fer ou en acier ; pour éviter la contamination du produit par le fer, on utilise des alambics en cuivre.