Exemple dExemple d’’utilisation dutilisation d’’animations dynamiquesanimations dynamiques dans un diaporama dans un diaporama powerpoint powerpoint ® ou ® ou ImpressImpress
Construction, lecture et utilisation dConstruction, lecture et utilisation d’’un diagrammeun diagrammebinaire en chimie (spé PC, MP, PSI, PT).binaire en chimie (spé PC, MP, PSI, PT).
Barbara Delattre, Chimie, PC*Lycée Pasteur, Neuilly/Seine.
Diapositives extraites d’un cours de chimie despé PC* d’environ 5 heures.
Diagrammes binaires: diagrammes indiquantles états physiques sous lesquels on retrouvedeux constituants chimiques dans les différentsdomaines de composition, de température et/oude pression.
L’idée: l’exposé aux MIEC-JIREC 2005 du
professeur Ali Atbir (Laboratoire de Chimie Minérale
Appliquée et Génie des Procédés, Faculté des
Sciences d’ Agadir )
De nombreux paramètres varient simultanément Les étudiants ont souvent du mal à construire,
lire et utiliser les diagrammes binaires.
But de l’exposé: montrer l’intérêt pédagogiquede l’utilisation d’un outil très simple d’utilisation:les animations dynamiques qui permettent parexemple de déplacer simultanément un pointreprésentatif du système sur différentes courbes.
Variables et notation utilisées:Variables et notation utilisées:
T: température
P: pression
Mélange binaire de deux constituants chimiques A1 et A2.
x fraction molaire, pourcentage en moles.
x1: fraction molaire globale de A1 dans l’ensemble des phases
x1v: fraction molaire du constituant A1 dans la phase vapeur
fraction massique, pourcentage en masse.
2: fraction massique globale de A2 dans l’ensemble des
phases
2s: fraction massique du constituant A2 dans la phase solide
La variance indique le nombre dedegrés de libertédegrés de liberté d’un système
physicochimique . C’est le nombre deparamètres intensifs indépendants que
l’on peut faire varier sans romprel’équilibre physicochimique du système.
Théorème de Gibbs, ou règle des phases deThéorème de Gibbs, ou règle des phases deGibbsGibbsv = C + 2 - C : nombre de constituants indépendants = ( N - k )
N : nombre de constituants chimiques total
k : nombre d’équilibres chimiques indépendants
2 : paramètres T et P : nombre de phases.
Courbes analyse thermique isobare dCourbes analyse thermique isobare d’’un un corps purcorps pur
P
T
CSolide
liquide
vapeur
t
Tfus
T
tempsTeb
Teb
Tfus
Variance = 3 -
Vapeur,v = 2
Liquide, v = 2
Solide, v = 2
Liquide = vapeur, v = 1
Solide=liquide, v = 1
Paliers lors des changements d’état
Retard possible au
changement d’état
P = 1 bar
P = 1 bar
Courbes d’analyse thermique d’un mélange binaire Cd-Bi
145
(°C)
200
Refroidissement du mélangeliquide homogène, x(Bi) = 0,30
Apparition des 1ers
cristaux de Cd
Apparition des 1ers
cristaux de Bi
temps
320
Refroidissement du cadmiumliquide pur
Apparition des
1ers cristaux de
Cd
Disparition de la
dernière goutte
de liquide
Refroidissement ducadmium solide pur
Disparition de
la dernière
goutte de
liquideCristallisation simultanée des deuxsolides Cd et Bi non miscibles
M
M’
x2
x2 = 0,3 x2 = 0,7
x2 = 1
x2 = 0
T (K)
t (s)COURBES ANALYSE THERMIQUE 0 1
TT
Cas dCas d’’un mélange liquide réel avec liquidesun mélange liquide réel avec liquidesmisciblesmiscibles
VAPEUR
LIQUIDE
L = V
x20 1
TT
*
1T
*
2T
Liquide
Vapeur
vapLiq =
Signification des courbes frontières
courbe d'ébullition : Cette courbe est la séparationentre le liquide et le mélange liquide -vapeur.courbe de rosée : La rosée est le moment où apparaîtla première goutte d'eau.
Courbe de roséeCourbe d’ébullition
Autre signification des courbes frontières:Autre signification des courbes frontières:
Les compositions des phases liquide et vapeur sont données par les
abscisses des points d’intersection de l’horizontale correspondant à T
donnée avec les deux courbes frontières.
x1 =x1
lx1 =x1
v
TVapeurVapeur
Liquide
Vapeur = Liquide
x1x1
M
A T donnée pour P fixée, à l’intérieur du fuseau (Équilbre liquide-vapeur)comme v = 2, la composition du système est fixée (x1
v et x1l).
P fixée
Règle de lRègle de l’’horizontalehorizontale
M = A M = B
x20 1
TT
*
1T
*
2T
Liquide
Vapeur
vapLiq =
Signification des courbes frontières
Courbe de rosée f(x2 v)
Courbe d’ébullition f(x2 l)
x2vx2
l
P P
xA1
0 1
PA1*
M4
M5
Étudions par exemple la compression isotherme d’unmélange binaire gazeux (A1, A2)
•De M0 à M1, le système reste monophasé et la composition du
système n’évolue pas.
•En M1, la première goutte de liquide apparaît. Sa composition est
donnée par l’abscisse de M2, la composition de la vapeur étant
donnée par l’abscisse de M1.
•De M1 à M4, on poursuit la compression. système diphasé. La
composition de la phase gazeuse évolue avec l’abscisse des
points de M2 à M4, celle de la phase liquide avec l’abscisse des
points M1 à M3. Au cours de cette compression, la quantité deliquide augmente au détriment de la quantité de gaz (théorème
des moments chimiques), le liquide et la vapeur s’enrichissenten A1, composé le plus volatil;
•En M4, il reste une goutte de vapeur, sa composition est donnée
par l’abscisse du point M3. La composition de la phase liquide est
donnée par l’abscisse du point M4.
•De M4 à M5, le système est monophasé, liquide. Sa composition
n’évolue plus, le point représentatif du système se déplaçant sur la
verticale de l’abscisse initial. Cette composition est la même que
celle de la vapeur initiale.
LIQUIDEV = 2
VAPEURV = 2
Liq=VapV = 1
x1l
PA2*
M2
Mo
M1
M3
x2v
0 x2
T(°C)
Quelle que soit la composition du mélange liquide de départ, la première bulle de
vapeur a toujours pour composition xHv. Et tant que les deux liquides sont présents, la
vapeur a cette composition.
VAl+
2
VAl+
1
Composition deComposition deLa vapeur entraînéeLa vapeur entraînée
Evolution de la composition globale en eauEvolution de la composition globale en eau dans l dans l’’ensembles des 2 phases liquidesensembles des 2 phases liquides
MApparition de la
première bulle
de vapeur
disparition de
la dernière
goutte de A1
disparition de la
dernière
goutte de A2
T
temps
A1l + A2
l non miscibles
x2v
Application: Application: Distillation simpleDistillation simpleobjectif : obtenir un liquide enrichi en composé le plus volatil.
Système ouvertSystème ouvert
0 1
M
L
L’’’ V’’V’’’
On représente souvent cette évolution par des « marches d’escalier ». En réalité
l’évolution est continue: le point représentatif du liquide évolue de L vers C: il
reste un liquide de plus en plus pur en A1. On peut obtenir A1 pur mais on en
obtiendra très peu. En effet, au cours de la distillation, on a éliminé A1 présent
dans le distillat de moins en moins riche en A2 (évolution de V à V’’’ jusqu’à C).
TC
•On part du point représentatif
M. On chauffe le mélange.
• La première bulle de vapeur a
pour composition x2V.
• Le distillat est donc enrichi en
le composé le plus volatil A2.
• En éliminant la vapeur, cela
entraîne un appauvrissement du
liquide en A2. Le point
représentatif se trouve décalé
vers la gauche de M
•Il faut chauffer davantage et la
nouvelle vapeur émise a pour
composition x2V’.x2
L’’
Liquide
L’
Vapeur
V
V’
arrivée
d’eau
froide
vers l’évier
thermomètre
réfrigérant
colonne à
distiller
de Vigreux
pierre ponce ou
carborundum
mélange à
distiller
chauffe ballon
récipients
collécteurs
Distillation fractionnéeDistillation fractionnée
T
Visualisation des plateaux théoriquesVisualisation des plateaux théoriques : colonnes à plateaux: colonnes à plateaux
miscibles liqliq BA +
CHAUFFAGE
Vapeur ascendanteLiquide descendant
xB0 1
T
T
M
VAPEUR
LIQUIDE
*
AT
*
BT
T2
T3
T4
T5
x1v
x3v
x4v
x5v
x2v
x2l
x3l
x4l
x5l
x1lx5
v
x5lx1
l
T1
x1v x2
v x3vx4
v
x2l x3
l x4l
Courbes d’analysethermique pour un
mélange binaire eau-sel.
Fraction massique enNaCl.
Centrale-SupélecChimie, PC, 1999.
Application:Application: Mélange H2O-NaCl
Application:Application: Mélange H2O-NaCl P = P atmosphériqueTfus(H20): 0°C et Tfus(NaCl): 800°CEutectique: TE: -21,6°C et xNaCl = 0,085 ou NaCl = 23% massique
Si on ajoute du sel à la glace dans des conditionsisothermes à T1 et si T1>TE, si la teneur en sel est
suffisante, la glace fond.
NaCl
T
-11°C
Liquide L
Glace + sel: solides non miscibles
Glace + L
0,23
-21,6°C
0°C
0,15
1 m2 1 cm
V = 0,01 m3 = 917 kg.m-3
GLACE ORDINAIRE A – 11°Cm glace = 9,17 kg or NaCl min= 0,15m NaCl = 1,62 kg de sel
Utilisation de glycol comme antigel
= 23,6 %
- 10 °C
Pour qu’un mélange antigel ne gêle pas à – 10 °C, il faut
ajouter 310 g de glycol à 1 Litre d’eau.
CCP, 2007,Chimie1, PC
Application:Application: conditions adiabatiquesMélange réfrigérant eau-NaCl P = P atm
NaCl
T Liquide L:Solution aqueuse de NaCl
Glace + sel: solides non miscibles
Glace + L
0,23
-21,6°C
0°C
Ajout de NaCl
Equilibre eau-glace à 0°C
Le sel se dissout dans l’eau Equilibre Glace pure et eau/NaCl liquide
La température diminue