Exercices de Physique-Chimie : Synthèse et extraction

Un élève souhaite extraire la caféine d'une solution aqueuse. Il dispose de deux solvants : l'eau ($H_2O$) et le dichlorométhane ($CH_2Cl_2$). La solubilité de la caféine est beaucoup plus élevée dans le dichlorométhane que dans l'eau. Le dichlorométhane a une densité $d = 1,33$ et l'eau a une densité $d = 1,00$. Les deux liquides sont non-miscibles. Si l'élève verse les deux solvants dans une ampoule à décanter, quelle phase sera située en bas et quel solvant doit-il utiliser pour extraire la caféine de l'eau ?

On souhaite extraire la caféine (molécule $\text{C}_8\text{H}_{10}\text{N}_4\text{O}_2$) contenue dans une solution aqueuse. Le volume de la solution est $V_{aq} = 50,0 \text{ mL}$. On réalise une extraction liquide-liquide en utilisant un volume $V_{solv} = 20,0 \text{ mL}$ de dichlorométhane ($\text{CH}_2\text{Cl}_2$). La solubilité de la caféine est beaucoup plus élevée dans le dichlorométhane que dans l'eau.

1. Quelles sont les deux conditions nécessaires pour choisir un solvant extracteur ?
2. Sachant que la masse volumique du dichlorométhane est $\rho_{CH_2Cl_2} = 1,33 \text{ g/mL}$ et celle de l'eau est $\rho_{eau} = 1,00 \text{ g/mL}$, quelle sera la position de la phase organique dans l'ampoule à décanter ?

Un chimiste synthétise le benzoate de méthyle en faisant réagir $12,2 \text{ g}$ d'acide benzoïque ($C_7H_6O_2$, $M = 122,1 \text{ g/mol}$) avec un excès de méthanol. Après réaction, le mélange contient l'ester formé, l'acide n'ayant pas réagi et le méthanol résiduel. Le mélange est extrait avec $50,0 \text{ mL}$ d'une solution aqueuse d'hydrogénocarbonate de sodium ($NaHCO_3$) pour éliminer l'acide restant. La phase organique est ensuite séchée et évaporée. On récupère finalement $10,8 \text{ g}$ de benzoate de méthyle pur ($C_8H_8O_2$, $M = 136,1 \text{ g/mol}$). 1. Déterminer la quantité de matière initiale d'acide benzoïque. 2. En supposant la transformation totale (rendement théorique de 100 % par rapport à l'acide), calculer la masse théorique d'ester attendue. 3. Calculer le rendement réel de la synthèse après purification.