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