La distillation expliquée, Dr Stone S1E1 | Behind the Lore

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Juste après avoir produit son vin, Senku passe à l’étape suivante : « Initiation à la distillation du vin, ou comment faire du brandy. » Il assemble un alambic improvisé (une jarre, un col étroit, un tube refroidi) et annonce, avec son enthousiasme habituel, que les Mésopotamiens distillaient déjà 3 000 ans avant notre ère « dans des pots en terre ».

L’enjeu narratif dépasse le brandy. La distillation est le levier technique pivot de toute la saison : c’est elle qui permettra de concentrer l’éthanol pour fabriquer le nital, puis d’extraire des essences, des acides, des parfums.

Le sujet en profondeur

Un différentiel de volatilité

Tout repose sur une observation simple. À pression atmosphérique normale (1 013 hPa), l’eau bout à 100 °C mais l’éthanol bout à 78,4 °C. Si on chauffe un mélange des deux à une température intermédiaire, disons 80 °C, l’éthanol s’évapore largement plus vite que l’eau. La vapeur produite est donc enrichie en éthanol par rapport au liquide qui reste.

Mais cette vapeur n’est pas pure éthanol pour autant. Une loi physique encadre ce qui s’évapore : la loi de Raoult (1882) postule que la pression de vapeur d’un composant dans un mélange idéal est proportionnelle à sa fraction molaire dans le liquide ^[Livre] . Conséquence pratique : la vapeur contient les deux composants, mais dans des proportions différentes du liquide. Plus on s’éloigne du point d’ébullition pur, et plus le différentiel de volatilité est grand, plus la séparation est efficace.

Du gaz au liquide, la condensation

La deuxième moitié du procédé est mécanique : on fait passer la vapeur enrichie dans un tube refroidi (un serpentin entouré d’eau froide dans un alambic moderne, un tube d’argile humide dans la version primitive). La vapeur perd son énergie cinétique au contact de la paroi froide, retombe en gouttelettes, et se recueille dans un second récipient. Le distillat obtenu est plus concentré en éthanol que le liquide de départ.

Une distillation simple à partir d’un vin à 12 % donne typiquement un distillat à 35 à 50 % d’éthanol. Pour monter plus haut, il faut redistiller : seconde passe vers 70 %, troisième vers 85 à 90 %. C’est ainsi qu’on produit les eaux-de-vie modernes.

La limite infranchissable, l’azéotrope eau-éthanol

Si on poursuit la distillation, on bute sur un mur physique. À 95,6 % d’éthanol en masse (à pression atmosphérique), la composition de la vapeur devient strictement identique à celle du liquide ^[Wikipedia] . La distillation simple ne sépare plus rien. Ce point est appelé un azéotrope .

Conséquence : aucune quantité de distillations successives ne permet d’obtenir de l’éthanol pur (100 %) à partir d’un mélange eau-éthanol. Pour atteindre l’« alcool absolu » utilisé en chimie analytique ou comme additif aux carburants, il faut une étape supplémentaire, typiquement une distillation azéotropique (ajout de benzène ou de cyclohexane qui forme un troisième azéotrope plus aqueux) ou des tamis moléculaires qui adsorbent sélectivement les molécules d’eau.

Cette limite est précisément celle que Dr Stone ne mentionne jamais. Sur la durée du manga, plusieurs procédés exigent de l’éthanol très concentré : Senku contourne le problème, mais sans expliciter la difficulté dans le récit.

Simple, fractionnée, sous vide, la famille des distillations

Ce que fait Senku est une distillation simple : un cycle vaporisation-condensation par lot. C’est efficace tant que les deux liquides ont des points d’ébullition très différents (au moins 30 à 40 °C d’écart). Pour des mélanges plus proches, on utilise une distillation fractionnée : la vapeur traverse une colonne remplie de plateaux où se produisent des dizaines voire des centaines de cycles vaporisation-condensation successifs (théorie des « plateaux théoriques » de McCabe-Thiele). C’est ce qu’on utilise pour fractionner le pétrole brut en essence, kérosène, gazole, fioul.

Quand les composés à séparer se décomposent à haute température (parfums, médicaments fragiles), on travaille sous vide partiel : à pression réduite, les points d’ébullition baissent. On peut alors distiller à 40 à 60 °C des produits qui se détruiraient à 200 °C.

L’œil du fact-checker

Pour approfondir

• Discipline chimie : toutes les fiches chimie du site
• À paraître : Le vin : source d’éthanol que l’on distille à l’étape précédente
• À paraître : Le brandy : produit fini de cette distillation
• À paraître : L’acide nitrique : combiné à cet éthanol pour produire le nital

Glossaire

Azéotrope ↗

Mélange de deux liquides dont la vapeur a exactement la même composition que le liquide. La distillation simple ne peut plus les séparer.

Loi de Raoult ↗

Loi de chimie physique selon laquelle la pression de vapeur d'un composant dans un mélange idéal est proportionnelle à sa fraction molaire dans le liquide.

Distillation fractionnée ↗

Variante de la distillation utilisant une colonne à plateaux où s'enchaînent des dizaines de cycles vaporisation-condensation, pour séparer des liquides aux points d'ébullition proches.

Sources

1. Distillation, Wikipédia FR ^[Wikipedia]
2. Azéotrope, Wikipédia FR ^[Wikipedia]
3. Robert J. Forbes, Short History of the Art of Distillation, E. J. Brill, 1948 ^[Livre]
4. Peter Atkins & Julio de Paula, Chimie physique, De Boeck, 2013 ^[Livre]