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Dépôt Institutionnel de l’Université libre de Bruxelles / Université libre de Bruxelles Institutional Repository

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Dépôt Institutionnel de l’Université libre de Bruxelles / Université libre de Bruxelles Institutional Repository

Thèse de doctorat/ PhD Thesis Citation APA:

Mathot, V. (1949). Propriétés thermodynamiques des solutions d'hydrocarbures (Unpublished doctoral dissertation). Université libre de Bruxelles, Faculté des sciences, Bruxelles.

Disponible à / Available at permalink : https://dipot.ulb.ac.be/dspace/bitstream/2013/215926/3/4cc8a33e-e7ce-4b8c-9941-0b0a159f4f4f.txt

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(2)

» ! I

P R O P R I E T E S THERMODUNAMIQUES

y / c T 0 R M'A T - w o r • ^--^

(3)

PROPRIETE3 TPERMODYNA ÎIIqjJES DES SOLUTIONS D' HYDROCAREURSc

IIIUBM!3!ir lir CHHF

Thèse présentée en Tue de l'obtention du grade de

3X>cteur en Sciences Cb-imiques ,

Victor 1 -IATHOT - Octobre I949.

(4)

TAELE DES l'iATIERES.

INTRODUCTION.

Pages 6 Chapitre I : PROPRIETES THERMODYNAÏlIQUES DES SOLUTIONS 1,1 A. Classification des écarts à 1 ''idéalité 1,1

1. Potentiel chimique 1,1 a) Solution idéale h) Solution non idéale

c) La fonction coefficient d'activité comme base de la classification des solutions.

2. Ponctions thermodynamiques d'excès 1,4 a) Définitions

b) Classification thermodynamique des écarts à 1•idéalité

c) Exemple numérique 3. Discussion Ijl2

a) Solutions régulières

b) Solutions semi-idéales ou athermiques c) Solutions quelconques

B. Influence de la symétrie des molécules sur l*entropie

d'excès 1,20 Chapitre II : PARTIE EXPERIIffilTTAIE

A, Substances employées

1. Cyclohexane, hexane n, octane n 2. Tétraéthylméthane

a) Préparation b) Purification 3. Autres essais

a) Essai de synthèse à partir de cCCH^Br)^

b) Essai de synthèse du bicyclo-octane

11,1 11,1 11,1 11,1

11,10

(5)

-4-

B. liestire des chaleurs de mélange II» 15 1. Définitions II»l5

2. Méthodes de mesure II»17

3. Description de la technique utilisée II»19 a.) Principe

b) Appareil

c) Marche d'une mesure

d) Calcul de he à partir des grandeurs mesurées 4. Résultats II»39

Discussion et précision II»39 a) Système cyclohexane-hexane

b) Système tétraéthylméthane-octane n C. Mesure des pressions de vapeur 11,44

1. Généralités 11,44

a) Détermination des fonctions d'excès à partir des mesures de pressions de vapeur

b) Mesure de la tension de vapeur - Position du problème

c) Principe des diverdes méthodes

2 , Description de la méthode utilisée II» 50 a) Mesure de la pression totals

1) Appareil de Kohnstamn 2) Houvel appareil

b) Thermostat

c) Discussion de la précision 3. Résultats IIj64

a) Données * o) Discussion

Chapitre III : PARTIE THEORIQUE

1. Paramètres géométriques du problème

111,1

111,1

(6)

2u Energie configuratmonelle 111^4

a) Enthalpie d'excès dans le cas des forces de dis- persion

h) Ccmparaison a.vec l'expérience

3= Ensembles canoniques et grands ensembles canoniques XII;, 7 4. Méthode de Bethe pour la détermination de g IIÏ »9

a) Principe b) Exemples

c) Propriétés thermiquesmiques des solutions de pol3mèr es-monomères

d) Cas monomères-trimeres triangulaires e) Cas monomères-tétram-ères carrés

5. Méthode de Guggenheim 111^28 a) Principe

b) Probabilité d^occupation d'un ensemble de r places en chaînes, par r monomères

c) Calcul de g(iTp,î'Ti) d) Généralisation e) Restrictions f ) Le facteur )^

6. Effet de forme Î-ÎI ?39

a) Chaînes bra,nchées - chaines droites b) Triangle - chaine

c) Comparaison avec l'expérience

EIBLIO GRAPHIE IV, 1 TBESE AmEJŒl IYg4

(Les chiffres entre parenthèse renvoient à la liste bibliographi

que, à la fin de l'ouvrage.)

(7)

lîJTRODUCTION

L'objet de ce travail est d'apporter une conti-ibution à 1" étude des facteurs qui déterminent les écarts à l'idéalité de::

solutions.

Le problème du lien entre les propriétés thermodynamiques et les propriétés moléculaires a été résolu, en principe, par GI3ES depuis quelque 50 ans, mais son application aux systèmes a.vec interactions est beaucoup plus récente.

Une première systématisation des écarts à l'idéa.lité consif te à considérer que c'est la dissymétrie dans les interactions moléculaires qui constitue le facteur essentiel.

C'est la théorie des solutions régulières de

H I L D E B R AnD

et des solutions strictement régulières de GUGGSî-HIEIid qui furent, pendant très longtemps, le seul traitement quantitatif maniable des écarts a 1 Idéalité»

L'étude des solutions de hauts-polymères a mis l'accent sur l'entropie de mélange corxime cause d'écart à l'idéalité.

Dans ce cas, on se trouve en présence de constituants de grandeur moléculaire très différente, tandis que les interactior sont à peu près symétriques. Il en résulte des écarts négatifs très considérables à la loi de Raoult.

Uoaa avons étudié l'influence de la chaleur et de l'entropi

de mélange dans le domaine des "microinolécules" .

(8)

-7~

On a réceînment mis en évidence, dans deux cas iDien étudié.s (diphényle-benzène et hexadécane-heptane), l'influence de la différence de disnensions moléculaires des deux constituants en vérifiant la théorie de BETHE -GUGGEin-ffilH, seule maniable dans le

domaine des petites molécules.

Le but de ce travail est de mettre en évidence l'influence de la différence de symétrie moléculaire des constituants sur l'entropie d'excès dans une solution d'hydrocarbures pratique- ment isomères. A cet effet, nous avons étudié les propriétés thermodynamiques des solutions d'hydrocarbures dont un des cens-- tituants est globulaire, l'autre caténiforme.

Dans le premier chapitre, nous exposons la théorie therr^o-- dynamique des solutions en termes de fonctions d'excès (enthalpie, entropie et énergie libre d'excès). Ce mode d'exposé présente l'avantage d'expliciter et de classifier les écarts à l'idéa.lité-, Son intérêt apparaît surtout dans le fait qu'il permet de rel.-'er directement, grâce aux méthodes de la mécanique statistique, les écarts observés aux propriétés élémentaires des particules (in- teractions et configurations accessibles).

Le second chapitre est consacré à la partie expérimentale de ce travail.

Comme couple d'"isomères", nous avons étudié les systèmes tétraéthylméthane-octane n à 20, 50? 6o, 70 et Ho" et cyclohe-'vane- hexane n à 20 et 50°.

Après la description de la synthèse et de la purification

(9)

des produits employés, noue exposons les méthodes et les résul- tats des mesures de chaleur de mélange et de tension de Tapeur totale de ces deux systèmes.

Du point de vue expérimental, les deux résultats essentiels obtenus dans ce travail sont les suivants:

1. Le système cyclohexane-hexane présente une enthalpie d'excès (chaleur de mélange) et une entropie d'excès positives du même ordre de grandeur. Il y a compensation des deux effets, de sorte que l'énergie libre d'excès est voisine de l'idéalité. Ce ccsapor»

tement est normal et s'observe dans de nombreux systèmes d^hydrn»

carbures.

2. Le système tétraéthylméthane-octane n manifeste au contraire une enthalpie d'excès et une entropie d'excès négatives r. Le tc .vnr entropicfue l'emporte sur le terme enthalpique et détennine même ].e sens de gg. Cette inversion de la chaleur de mélange et de l'en- tropie d'excès est un phénomène assez rare dans leg systèmes c'•' hydrocarbures saturés .

Dans le troisième chapitre, nous avons cherché à interpréter ces résultats. Ceci nous a conduit à une étude détaillée de la méthode de BETHE et de GUGGENHEïIyl pour la détermination du fac- teur combinatoire.

Le facteur combinatoire s'introduit dans le calcul statisti-

que des propriétés thermodynamiques. Il représente le nombre to-

tal de configurations accessibles au système. En l'absence de cha,--

leur de mélange, il détermine à lui seul l'ensemble des propriété

thermodynamiques de mélange.

(10)

On a pu évaluer ce facteur dans le cas de solutions de chaï nés de dimensions différentes. Il conduit à d^impcrtantn écarts à l'idéalité, même pour des différences de dimension très petite

(dimère-monomère par exemple).

L'interprétation des écarts observés dans ce travail est- elle aiialogue ?

Nous avons été amenés ainsi à étudier l*influence de l^effe de forme sur le terme combinatoire. Nous décrivons la méthode de BETHE qui consiste essentiellement à dénombrer tou"';es les confi- gurations accessibles à un petit nombre de places du système dis posées dans le champ moyen des autres et à étendre ensuite les résultats à tout le système.

Nous appliquons cette méthode au calcul du facteur combina- toire de solutions de constituants de mêmes dimensions molécu- laires, mais de symétrie différente.

Nous exposons ensuite la méthode de GUGGENIISIM, utilisant le principe de microréversibilité des processus élémentaires.

Cette laéthode, plus directe mais moins générale^ est appliquée au cas de solution de chaînes branchées dans des chaînes non ra- mifiées .

Le résultat essentiel obtenu par ces deiix modes d'approche

du problème est identique: l'influence de la différence de symé-

trie moléculaire des constituants d'une solution sur les propri--

étés de mélange est nulle ou négligeable. Le facteur- ccmbinatoir

de telle solution est identique à celui d-ane 3o3aition idéale.

(11)

- 1 0 -

II faut donc chercher ailleurs l'explication du comportement observé ici.

Dans notre cas, c'est l'énergie de mélange qui détermine la valeur de l'entropie de mélange. Il faut voir en réalités dans

ce terme Tse / 0, le résultat de l'altération de l'intensité des mouvements moléculaires eux-mêmes (vibration, rotation) et non l'influence de l'énergie de mélange sur le terme combinatoire«

Il serait intéressant de vérifier cette proposition par 1' étude des propriétés spectroscopiques de la solution.

Au cours de ce travail, nous avons déterminé pour la premi"

ère fois le facteur combinatoire d'une solution dont un type de molécule est un cycle fermé.

En comparant les méthodes de

B E T H E

et de

G U G G E W H E U I,

nous avons .:.ontré que l'e::tenBic>n de la uéthode de GU'/CiiillT.Ii--

au cas des molécules cycliques, due à MILLER, est incorrecte.

L'étude approfondie de ces différences nous a permis de si-

tuer le problème des molécules compactes (spîières, disques, cy-

cles) dans la méthode de

B E T H E

et de GUGGENHEIli et d'indiquer la

voie pour résoudre le problème général du calcul des propriétés

thermodynamiques des solutions dont les constituants sont de for-

mes et de dimensions moléculaires quelconques.

(12)

1 1 -

Je tiens à exprimer toute ma gratitude envers mes maîtres»

Monsieur le Professeur J.TUttiSPlLàNS qui a assuré la direction de la partie expérimentale de ce travail, Monsieur le Professeur PRIGOGI]^ qui en'^dlrigé la partie théorique, que l'un et l'autre veuillent bien trouver ici l'expression de mon entière reconnais- sance pour les enseignements que j*ai recueillis auprès d'eux autant que pour leurs encouragements et leur bienveillance à mon égard.

Je dois à la bienveillance de Î4r le Professeur Dr. J.J.

HEBl'IAî^S de l'Université de Groningen et de l-ir J.H. Van der VAALS Drs., d'avoir pu utiliser leurs installations pour les mesures de chaleur de mélange, et d'avoir pu profiter de leur expérience.

Je tiens à leur exprimer ici toute ma reconnaissance.

Je remercie également l'I.R.S.I.A. qui m'a accordé une bour- se de spécialisation pour les années I946-I947 et 1947-I948,

le Ponds National de la Reciierohe Scientifique qui m'a oc- troyé un mandat d'Aspirant I948-I949.

la Commission technique de l'Accord Culturel Hollando-belge qui a couvert les frais de séjour à l'Université de Groningen.

A tous ceux qui m'ont aidé, j'adresse mes sincères remercie"

ments.

(13)

V U l —u

1^

c^i W U'

P R O P R I E T E S

XxîERMaD3rîi.,iMiqUE3 [GES 8CLUTI0ÎTS,

A. CLASSIS'ICATÏONS 2(ES lîCiUiTS A L»rDiBALITE.

1, Potentiel chimique.

Il est actuellenent bien connu que l'ensemble des propriétés thermodynamiques d'un syetèirie est entièrement déterminé dès qu'on connaît la valeur des potsntieir; chimiques y-*^ des différents constituants ^ du système,-. Ceci vaut en particulier pour les so- lutions *

La méthode thermocynarUique -essentiellement formelle et géné- rale- consiste à classer les solutions suivant la forme des poten- tiels chimiques «

a) Solution idéalec

Une solution est dite parfaite^-^^ lorsque les potentiels chi- miques des constituants sont de le?, ferme:

f-"^ = Ç | (p? + HT Ig

( 1 , 1 )

dans tojat l 'interi^alle de fceaipérg/ preasïQp con^i^éré.

(Pj T) eet tine foncGio::: de p et de T seulement qui repré- sente la valeur du potentiel ch;'.r.-:.que du constituant pur et

ny . . ,

= T=-~ est ^.e oitre molaire ,.-

T D POV^IïïH et GÛGC-EÏT!r^ii:'l4, chap Yïlï) utilisent l»expression

-solution idéale^ pour celles qui vérifient (l,l) pour certai-

nes valeurs du titre eeulsinent -solution parfaite, pour le cafc

où (lyl) est vérifié pour n^iraporte quelle valeur du titre.

(14)

On peut montrer que les aclutions dont les potentiels chimi- ques sont de la forme (ipl) possèdent des propriétés particulière- ment simples; le mélar.gs se fait sans effet thermique» le volxjme spécifique molaire de chaque constituant est indépendant de la concentration et la tension de vapeur est une fonction linéaire du titre molairey c'est-à-dire S L ^ i i l A j A j i f i j i .RAQUI-T.

L'ensemble de ces propriétés a^observe effectivement pour les solutions les plus simples constituées de composants extrêmement voisins comme des antipodes optiques eu des homologues d'à peu près mêmes dimensions (66),

b) Solution non idéale.

Si on considère des constituants qui diffèrent soit du point de vue énergétique (par la, nature ou 1*intensité de leurs inter- actions), soit du point de vue morphologique (solution de particu- les de dimensions ou de formes très différentes), des écarts carac- téristiques apparaiss-^ait qui indiquent que les potentiels chimi- ques ne sont plus de la forme (l^l)«

On est amena à parler alors de solution non idéale et on écrit le potentiel chimique sous la forme plus générale:

= Ç^' (p,T) + R T l g X | f j . (1,2)

où f| est le coefficient d*activité du constituant ^ et où (p»T) est la même fonction de p et de T que dans (1^1) .

(Ceci constitue en réalité un choix particulier du système idéal de référence et nécessite que -pour une solution binaire~

f — > 1 quand X3_ — 1 et — > 0

f 2 ••r 1 quand x,-^ 1 et x-, — 0 )

(15)

L'intérêt des coefficients d*activité réside dans le fait qu*

ils permettent de conserrer le fornalisne très simple des relations valables pour les systèmes idéaux ou parfaits en reportant tout 1*

écart à 1^ idéalité dans une nouvelle fonction d"état

Il Va de soi que la thermodynamique ne peut pas prédire la Valeur d« Ces coefficientsj maiSj les ayaht mesurés par des expé- riences dimpleSj, elle permet de calculer toutes les autres propri- étés d u système.

c) La fonction coefficient d'activité comme base de la classifica- tion des solutions .

En cûïûparant 1,1 et 1^,2 , on voit immédiatement que la condi- tion générale d^idéalité est ici donnée par:

(Ps> T , X2... XQ) = 1 1,2...c) ( 1 , 3 )

dans tout l^intervalle de pression et de température considéré.

Ce qui revient à dire que f^ = 1 et que toutes les dérivées successives de f j par rapport à Ps Tj. Xgs.-x^ sont nulles.

Comme nous Tenons de le voir^, la fonction coefficient d'acti- vité peraet de définir complètement l^état thermodynamique d'une

solution. Cependant^ si les conditions d'idéalité apparaissent clairementj il est plus difficile d''exp.liciter les écarts à 1' idé- alité.

En effet, un système s*écarte de l*idéalité par la valeur

•différente de 1 - de mais aussi par celle -différente de

zéro- d'une ou plusieurs de ses dérivée;» premières ou ultérieures

(16)

par rapport à p ou à T.

Or, ces dérivées sont en relation avec certaines grandeurs expérinantales simples. Par exeaplcj la dérivée première de Ig f^^

par rapport à T est en relation avsc la chaleur de mélange, la dérivée seconde par rapport à T e,v-ec 1,?, cli3 .1eur spécifique, la dérivée première par rapport à p , aveo le?, variation de volume lors du mélangej la. dérivée seconde pa,r rapport à p , avec la Goir.pressi'bilité de la, aoluticn.

Il y a donc intérêt à explioitar IGS écarts à l'*idéalité en fonction de ces dérivées ou d^une combinaison convenable de celles ci.

C'est précisément l'avantage des fonctions thermodynamiques d*excès que nous allons examiner au ps^ragraphe suivant,

2 « Fonctions thermodynamiques d * excès . a) Définitions.

Considérons l'énergie libre de GILBS d^une solution.

En vertu des relations générales, on peut toujours écrire s '—^ 5 g X- M'-, • - o

n-5_+n2 -- ' - ' 2

ou encore^ en remplaçant p-,. ^'^^ F'o -'-''^ leur valevrr {ls2)

- • ^- - ' ( 2 9 1 )

•T xi RT Ig f7:;r.-,_ -i- X2 HT Is f.

Ita,ns (29I) l'expression "Si^^i (PoT) + X2 S o (ps^) représente

l^énergie libre (divisée par ni+n2) de n]_ soles du constituant 1

(17)

1 , 5

et n2 moles du constituant 2, pris iaolêment à la pression p et à la température T (c-à-d non dissous l^un dans l'autre).

De cette manière:

= RT Ig fiK-j^ + HT le f2X2 (2,2)

est l'accroissement de l'énergie libre g qui résulte du mélange des constituants 1 et 2, plus brièvement, c'est l'énergie libre de fflélane;e de la solution.

On utilise surtout les nropriéj;és theyi^odynaimiques d'excès (indice e) relatives à la solution, c'est-à-dire la différence entre la valeur des propriétés de mélange (indice m) et celle qu' elles aiiraient dans les m'èmes conditions de température et de près*

sion si la solution était parfaite (indice m").

Ces grandeurs représentent donc bien l'excès (positif ou né- gatif) d'une propriété donnée d'une solution par rapport à la solu- tion idéale de référencee

Ainsi: g© = Sm - Sm*

= RT (xi Ig fi + X2 Ig fg) (2 ,3)

Les accroissements correspondants de l'entropie, de l'enthal- pie, du voliime, de 1*énergie de la chaleur spécifique, de la com- pressibilité sont obtenus par l'application des formules générales de la thermodynamique,

Entro-pie d'excès: Sp =

s 3 Ig fi <^ Ig f

' { x-^ le f-^

+ X 2

ig f 2 ) R ^2,4)

(18)

1,6

:\ Se.

ô T

he = - RT2 ( 4- :!C2--^Y^ ) ( 2 , 5 )

e cip

T := RT ( + : v : , , — ) (2,6

0

c

1

(2,7)

- RT'^ (Xj^ --^-2— + :>!• (2,8)

' V e - - "v ' X 3 _ ~ _ - " y. ' ^2,y;

Ces diverses grandeurs ont une sigiaification expérjLiaents.le simple, gg est liée à la, tension de vapeur de la solution »

h.Q n'est autre que la chaleur do sélar^^^e à pression constante.

(19)

1,7

par mole de solution^'''^

Sg apparaît comme la différence Sg = — ~ — -

Vg est en relation avec le volume spécifique molaire de la solu- tion V e = (v)x -j^ x ^Voi -

X 2 V Q 2

Cg la différence hg - pVg

Cpg est la différence entre la chaleur spécifique de la solution et celle des corps purs

'^Pe = (°p^x. - ^l^Poi - ^2°Po2 ^^'^^^

de même

X e ~ ^Xe^XT " ^1X01 " ^2X02 (2511)

Du point de vue thermodynamique, rien n*emp^che de continuer l'examen des diverses propriétés colligatives susceptibles de ca- ractériser l'écart à l'idéalité d'une solution et d'établir le lien entre ces propriétés et les coefficients d'activité ou leurs dérivées successives.

Expérimentalement cependant, les dérivées au-dessus du deuxi- ème ordre perdent rapidement toute signification, en égard à l'er- reur commise dans leur mesure.

En fait, dans l'exposé qui va suivre, nous ne considérerons que hg, gg et Tsg comme critères d'écart à l'idéalité parce que ce sont actuellement les seules grandeurs de ce genre susceptibles

( 1 ) Par suite des conventions de ,=iigne adoptées dans l'expression

de du ier principe, un mélange avec absorption de chaleur

correspond à un h g ^ o , avec dégagement de chaleur à ion h g ^ O ,

(20)

d'être interprétées t h é o r i q u e m e n t ^ e n termes de considérations moléculaires et qu*elles sont relativement aisées à déterminer expérimentalement avec une bonne précision,

b) Classification thermodynamique des écarts à l'idéalité.

La condition générale d'idéalité définie en ( 1 , 3 ) peut s'ex- primer également en terme de fonction d'excès par

gg = hg = Se = V e = etc.. = 0 pour toutes les fonctions de ce genre.

Quant aiix écarts à l'idéalité, on s'aperçoit que l'emploi des fonctions d'excès permet de les expliciter plus aisément que la fonction coefficient d'activité.

Considérons gg = he - TSQ

Le cas f 0 peut ^tre réalisé de trois manières différentes:

1) hg 7^ 0 et Sg = 0 solution régulière 2) hg = 0 et Se / 0 " athermique

3) hg / 0 et Se / 0 " quelconque ou encore de façon moins stricte:

1) |he| » |Tse|

2) |he| « |TSe|

3) |iie| |TSe|

L'avantage de cette façon d'envisager le problème ne réside pas seulement dans le raffinement de la classification purement JT) Il faut encore y ajouter la chaleur spécifique d'excès dont

1^étude présenterait le pi ;;.3 gra:id intérêt pour la connaissan-

ce de l'altération des degré de ?vi "berté internes (rotation

vibration) due au mélange» Houe comptons poursuivre nos tra-

vaT .uX dana ce sens.

(21)

formelle des écarts à l'idéalité. Elle permet en outre de ratta- cher ces écarts aixx. causes physiques qui les provoquent^ aux ca- ractéristiques moléculaires des constituants de la solution. En

effet, alors que l*énergie libre de mélange ou les coefficients d^activité caractérisent globalenent l'écart à l'idéalité saî^s pouvoir y distinguer les diverses contributions, au contraire, les devcc termes hg et Sg qui déterminent la valeur des coefficients d^activité ont une interprétation moléculeàre assez simple.

Le premier terme hg est lié à 1-énergie d'int;;raction (à près sion constante) entre les deux constituants. Il correspond simul-

^11 '•• °22 taném.ent à la dissymétrie des interactions Sio 7^ —

..^ 2 et au tra,vail de dila,tation pVg du mélange.

L'autre terme Sg est en rêlation avec l'augmentation du nom- bre de complexions provoqué par le mélange des deux espèces molé- culaires» Nous étudierons, au dernier chapitres les diverses con- tributions possibles à l'entropie d'excès»

Avant de passer à l'examen systéraatiqiie des trois cas prévus plus Iiautj nous voudrions montrer sur un exemple numérique l'ordre de grandeur du lien qui relie la tension de vapeur et la chaleur de mélange^-^, propriétés considérées généralement comme critères d^ idéalité

(1) En ce qui concerne la variation de vcluxae lors du mélange, un calcul d'ordre de grandeur montre iminédiatement que la contri- bution du terme pve à 1*"énergie libre est négligeable pour des systèmes courants.

Si Ve = 100 cm3 ) pYg ~ 10""-^ litre atm,, soit p = 76 mm Hg ) 10"'?) ,.24,2 cal - gramme ,

ou encore 0,00024 cal-mole, si la masse moléculaire moyenne est de l'ordre de lOC,

Il appara.it don? que ce serait surch .-j .rg-^r inutilement la classification que d'y fa-ire intervenir explicitement le terme

pVe-

(22)

1 , 1 0

c) Exemple niimérique.

Il s*agit d*Taji système dont les constituants 1 et 2 ont m^me pression de vapeur (lOO mm Hg) à 300° K., et respectivement 200

et 250 mm Hg à 350° K., ce qui fixe les chaleurs de vaporisation, supposées indépendantes de T, respectivement à 2880 et 38LO cal/

mole et, partant, les températures d'ébullition sous 1 atmosphère respectivement à 525° K. et 4-85° K.

1 2

p° 300°K 0

en mm Hg

100 100

p° 35o°K en mm Hg

200 250

chaleur de va- porisation, en cal ./noie

2880 3810

•ébull ,/76o mm.

en °K 525 485

De plus, on a admis, pour la facilité des calculs, que Ig f 1 = 06 x|

Ig f 2 = o6x2

ce qui donne immédiatement

gg =

R T

06 x ^ X g = K„ Xn X^

g 1 2

- " "Iy ^1 ^2 h 1

2

Ts. = - (RTot + R T 2 ^ ) = (Kj, - Kg) x-^ x^ )

(2,12)

Ces fonctions sont donc toutes des paraboles.

La figure 2 donne, pour chaque cas, le diagramme des fonc-

tions d'excès gg, hg, Tsg (en cal-mole) et le diagramme correspon-

dant, des tensions de vapeur totale et partielle du constituant 1

(23)

1,11

(en m m Hg), en fonction du titre molaire.

Les cas envisagés sont 1 solution idéale (300°K) 2 solution "idéale

par compensation" à BOO^K

4

3 cas 2 à 350°K (solution quelcon- que) solution régulière

5 II athermique

Le cas 2 où Tsg = hg montre qu'on peut parfaitemeht avoir une solu- tion obéissant à la loi de RAOULT bien qu'elle se forme avec déga- gement ou absorption de chaleur.

Mais cette situation ne peut se réaliser qu'à une seule tem- pérature, si hg et Sg sont eux-mêmes indépendants de T dans l'in- tervalle considéré, A température plus élevée, on observera un g g ^ O î c'est ce qu'indique le cas n°3»

Le cas 5 montre une solution qui n'obéit pas du tout à la loi de RAOULT alors que le mélange se fait sans aucun effet thermique.

L'examen de ces figures montre bien que la notion d'idéalité ne repose pas sur l'étude d'une seule propriété, comme la tension de vapeur par exemple, mais bien de l'ensemble des propriétés thermodynamiques du système.

Ceci tient au fait que cette notion s'introduit en définitive

dans l'expression des potentiels chimiques eux-mêmes dont la va-

leur détermine toutes les propriétés thermoflynamiques du système.

(24)

1,12

3 . Discussion.

Dans ce paragraphe nous voudrions examiner, à la lumière des considérations moléculaires qui interviennent dans la détermina- tion de hg et Sg, les trois cas prévus par la discussion des écarts en terme de gg.

a) Solutions régulières.

Une première systématisation des écarts à l'idéalité consiste à considérer que la chaleur de mélange, beaucoup plus grande que le terme entropique, conditionne essentiellement le phénomène et est responsable à elle seule de l'écart observé.

On a donc hg / 0 Tsg = 0 ou mieux hg » Tsg

Ceci revient à dire que l'écart est provoqué presqu*unique- ment par la dissymétrie des énergies d'interactions 1-1, 1-2 et 2-2, lesquelles sont, néanmoins, suffisamment isotropes pour ne pas perturber la distribution complètement désordonnée caractéris- tique de la solution idéale.

®11 ®22 (En réalité, la présence d'une interaction e^^ ¥ 2 — favo-

riser certaines configurations et la répartition des molécules dans la solution cessera d'être complètement désordonnée comme dans le cas idéal. Cette contribution à l'entropie d'excès est toujours négative. Toutefois, on a pu montrer que cet effet ordre- désordre est négligeable pour des différences d'interaction de 1*

ordre de kT (agitation thermique) à condition que ces interactions soient suffisamment isotropes (voir 4 chap VIII et 5)•

Ce dernier point exclut, par exemple^ les interactions haute- ment anisotropes du type liaison d*hydrogene, qui provoquent, elles, de profondes perturbations dans 1*entropie de mélange.)

On peut montrer très simplement que dans le cas des solutions

régulières (sg = O), Ig t-^ doit être inversement proportionnel à T»

(25)

I 1,13

Si on utilise le développement en série de llargy.les pour la dépen- danoe de Ig f^^ en fonction du titre et qu'on se limite au 1er tor^

me, on obtient la relation complète:

RT Ig f 1 = Oi, X2 RT Ig f 2 = Ot x£

où tkt est une constante indépendante de x et de T.

Ces relations ont été obten'jes d*abord par V M J t M S (l P . I 6 0

formule (14) ) à partir de l'équation de VAIT dsr V/AALS pour les mélanges, retrouvées par IIILDEBRAffP 12)» à partir de considéra-

tions moléculaires, sous la forme;

RT Ig fi = Vi (f2)^ ^\ - (3,2)

avec - ( ^ î i ) V 2 et -

l a "densité d'énergie", c'est-à-dire la racine carrée de l'énergie

de vaporisation divisée par le voluîjie moléculaire* et ^^ 1® titre volumique de 2, enfin perfectionnée par SQ/^TGI^HD (3) .

Il est à noter que ( 3 » 2 ) se réduit à (3s'l) avec

s ^ ( Û E j ) ? - ( ûk.^2^^^^ "^^^ volumes moléculaires sont égaux.

En introduisant (39I) dans (2,5) fj*! obtient, oomcie en (2,12) s hg = X-, x^ où oC est ici celui qui a-otjarait dans

^ (3,1) (indépendant de T)

Suivant que hg est positif (mélange avec absorption de clia.-

leur) ou négatif (dégagement de chaleur), la courbe des pressions

de vapeur est inférieure ou supérieure à la droite de RAOULT.

(26)

1 , 1 4

Cette théorie des solutions régulières a connu tin succès con- sidérable et a été, jusque vers les années quarante, la seule thé- orie quantitative vraiment maniable des écarts à l'idéalité. Elle a d'ailleurs à son actif l'explication de phénomènes non-idéaiuc typiques comme la démixtion et l'azéotropie (voir p.ex. 7) ainsi qu'un nombre surprenant de cas ou les relations (3>l) se vérifient

{HILDEBRAND lui-même (8) s'étonne de la généralité de ces lois?

vu le nombre considérable d'hypothèses implicites qu'elles contien nent.)

La figure 3 tirée de SCATCHARD (6), nous donne à titre d'exem pie gg et hg en fonction du titre pour le système benzène-tétra- chlorure <ie carbone. On peut voir immédiatement que Tsg — 0 dans ce cas,

b) Solutions semi-idéales ou athermiques.

hg = 0 Tse / 0 ou hg « Tsg

Il existe cependant des solutions qui présentent des écarts négatifs considérables à la loi de Raoult, mais dont la chaleur de mélange est pratiquement nulle ou, en tout cas, est loin d'ex- pliquer à elle seule l'écart observé expérimentalement.

Telles sont les solutions de molécules caténiformes à poids moléculaires très différents étudiées depuis 1 9 3 5 Par K.HJÎEÏER et ses collaborateurs dans une série de travaux remrqxiables ( 9 à

1 5 ) .

(27)

1,15

Ils ont mesuré ou complété les mesures relatives à gg, hg et TSg des systèmes suivants.

V.B. valérianate de butyle V.P. "

S.B. sébaçate de dibutyle C-|_8 S.B.

oléate d*oléyle

thapsiate de dioléyle C ^q

Benzène

Eroïiure de propyle Benzène

Bromure de propyle Cycloiiexane

hexane CCI4 CHCl^

Cyclohexane

" Hexane

CCl^

" CHCl^

octadécane hexane

" benzène

" tétra-chlorure de carbone

Toutes ces solutions présentent, à des degrés divers, la même caractéristique: les coefficients d'activité sont inférieurs à 1 et la chaleur de mélange mesurée calorimétriquement ou déterminée par la variation de la pression de vapeur en fonction de la tempé- rature ne peut expllquet qu'une très faible partie de ces écarts négatifs,

Pour les solutions de macromolécules dans un solvant à faible poids moléculaire, l'anomalie est encore plus évidente:

La figure 4 montre l'activité, déterminée par pression de vapeur,

(28)

en fonction du titre pour le S3''stème caoutchouc-toluène (I3 d'après Higgins 16). La droite faiblement inclinée par rapport à l'abcisse représente ai = x-| c-à-d f- 1 .- On peut Toir que les points

expérimentaux correspondent tous à surtout ai 1-on tient

compte de ce que l'abcisse est 100 fois plus étendue qv.à l-"ordon- née. Or, la chaleur de mélange '.i-iin tel syBterâe, mesurée par va- riation de la pression osmotique en fonction de la te.rapérature (13)1 est très faible et ne peut en aucun cas rendre comptCp à elle seu- le, de l'écart observé.

Actuellement, les mesures de ce genre se sont multipliées et l'on dispose à ce sujet d'un matériel expérimental considérable

(voir p.ex. 17).

A quoi correspondent ces différents cas ? Il suffit de remar- quer que he « ge et gg « 0

Comme ge = hg - Tse , on a nécessairement Tsg » 0 ou encore Ts»

Le terme entrooiaue l'emporte nettement oette. f q1;% ....g.VLrla cha- leur de mélange et détermine presqu^entièrcnervi'. le gen:-: o" la va- leur de l'écart à l'idéalité (voir fig,2) <-

Il faut noter quo cette fois > 0 donne lieu h z\\ 1 comme on peut le voir sur la fig'Jire 2^ alor.^ que hg> 0 donne fi> 1. Ceci tient au signe de hg et TSg dans ge ~ " TSe*

Du point de vue moléculaire, ces solutions se caractérisent

essentiellement par la différence de dimensions entre les particu-

les des dexxx constituants. Cette différence provoque, lors du mé-

(29)

1,17

lange, tine augmentation anormale du nombre de complexions propor- tionnelle à cette différence elle-m%me.

Effectivement, l'entropie d'excès est une fonction croissante de la différence des longueurs de chaîne, comme le montre la fig.5 se rapportant aux systèmes notés plus haut VB, VP, SB et SP. Ta^

est maximiim pour SP qui représente la plus grande différence de longueur de chaîne des 4 cas envisagés.

Du point de vue théorique, le calcul de l'entropie de mélange a fait l'objet d'importants travaiAx dans ces dernières années et l'on peut dire que c'est dans ce sens surtout que se sont accomp- plis des progrès considérables quant à la théorie des solutions.

De nombreux auteurs, parmi lesquels il y a lieu de citer MILIilR ( 1 8 ) , PLORY (I9), HUGGDTS (16 et 20) , GUGGElTîffill'I (2l),

ORR (22), ZIl#i (23) et SCHULZ (24), sont arrivés à montrer que, dans le cas de molécules en chaînes de longueurs différentes, 1 ' entropie d'excès est donnée en 1 è r e approximation par?

Se = ^ 1 R Ig ^ +

^ 2 ^ ? | ^ ^ ' ^ ^

où '^2. ®* ^2 s°^* titres volvimiques, c-à-d:

(j) ^lll et ^ = ^

• 1 - x,vi + X2V2 ' 2 x^v^ + x^v^

L'effet ainsi obtenu est donc essentiellement fonction de la différence entre titre volumique et titre molaire, c'est-à-dire, en fin de compte, entre le volume moléculaire de chaque constitu- ant ,

Il est très important pour les solutions de inaorcmalécules et

(30)

I , l 8

celles dont les constituants sont de grandeurs moléculaires très différentes, mais, pour les soliitions à molécules d'à p e u près même volume moléculaire, cet effet est très fai oie et n'explique pas, en tous cas, les valeurs observées de Sg.

c) Solutions quelconques.

Reste à examiner la majorité des cas qui ne sont ni régulière, ni semi-idéaux (athermiques).

Ici, l'entropie d'excès et la chaleur de mélange sont simul- tanément différents de zéro et on ne peut prédire, en général? ni le sens ni la grandeur de la déviation de la courbe de pression de vapeur. Lorsque hg et Tsg sont de même signe^ les deux effets se compensent partiellement (gg = hg - TSg) et la pression de va«

peur est alors très proche de la valeur idéale .

Ainsi, pour le système benzène-sulfure de carbone (figi.ire 6 tirée de 6) la chaleur de mélange (ïiégative ici? hg > C)^ si elle déterminait à elle seule la valeur de g^^j donnerp.it l i e u à un écart beaucoup plus grand que celui qu-'on obr.er;re. Ceci est à l'existence d'un Sg t-' 0 et de même signe que hg,,

C^est dans ce paragraphe également qu^il convient de citer les belles recherches de BRjZ^ÎTSTED et KOSFOED (25) y VAU DER VAALS et HERI-LANS ( 2 6 ) et de H.TDi:3'A ( 2 ? ) relatives à la mesure de la

tension de vapeur (25) et de la chaleur de mélange (26) des sys- tèmes heptane-hexadécane et benzène-diphériyle ( 2 7 ) •

Ces travaux ont été accomplis en vue d'apporter lAne base

exî>ériinentale aux théories relatives à 1^entropie de mélanges en

(31)

1,19

particulier à la théorie de GUGGENHEIM ( 2 l ) .

Le système hexadécane-heptane est pratiquement idéal par: com- pensation et seule la précision remarquable de la technique de me- sure de pression de vapeur permet d'assurer que les écarts obser- vés possèdent une réelle signification.

Cependant, l'enthalpie d'excès -positive- n'est pas négligea- ble et la combinaison des deux termes hg - gg donne une entropie d'excès relativement considérable, La figure 7 tirée de ( 2 6 ) , nous indique ces différents résultats.

Les courbes théoriques 3 et 5 montrent que, dans ce cas, 1' accord se trouve réalisé avec l'expérience.

La même conclusion se dégage de l'examen de la figure 8 rela- tive aux fonctions d'excès du système diphény'le-benzène.

Quelques mots d'explication s'imposent ici; le dip.bényle solide fondant à 7 0 ° , forme avec le benzène^i à 2n°C^ uno B^'lutio-j saturée à 39 moles /o de diphényle. L'énergie libre cl-exoès de la solution a été déterminée à partir de la tension de vapeurl~) com- me précédemment, mais la chaleur de mélange n'a pu se mesurer par

dissolution du biphényle pur solide dans le benzène pur: l'auteur a uesuré la chaleur de dilution de la solution saturée dans le benzène.

Enfin, les résultats sont exprimés de la manière suivante:

la figure 3 de ( 2 7 ) reproduit, en fonction de la concentration, ( 1 ) Ce système, comme le précédent, présente un avantage considé-

rable; un seul constituant est volatil, d'où la tension de vapeur totale est égale à la tension de vapeur partielle de

ce constituant.

(32)

1,20

le coefficient d'activité du benzène, mesuré et calculé en utili- sant les données expérimentales de la chaleur de mélange et l'ex- pression théorique de l'entropie d'excès.

Nous avons recalculé les fonctions d'excès à partir des don- nées expérimentales et comparé l'entropie d'excès mesurée avec la valeur calculée théoriquement. L'accord est ici satisfaisant com- me on peut voir. Evidemment, les mesures ne portent que sur une partie de l'échelle des concentrations.

Nous reviendrons en détail sur ces travaux et notamment sur le calcul de la courbe théorique, dans la 3sme partie de ce mémoi- re .

B. OTLUEÎTCE DE LA SYMETRIE DES MOLECULES SLTR L'EÎTTROPIE D'EXCES.

L'entropie d'excès est une propriété thermodynamique essen- tiellement liée au "degré d'ordre" de la solution,

La dissolution de deux types de particules de mêmes dimen- sions et d'énergie de mélange nulle donne lieu à une augmentation du nombre de configurations aisément calculables: c'est simplement le nombre de permutations différentes de particules A et îl-g

particules B, par ailleurs identiques (^A ^b)'

N A î W B !

L'entropie de mélange est liée à W par la relation de BOLTaiAlIil, S = k ig \r s = k ig ^ 2-1

N A ! N B !

(33)

En utilisant la relation do STIRLÏîTG peur les factorielles et en divisant par l^j^ + N^-; :

Sjy, - R Ig - Xxj P. Ig X-g

l'entropie d'excès est nulle: c'e.-ït le oaa d'iuie solution idéale.

Ce cas se réalise donc quand les devoz constituants ont mêmes for- mes moléculaires (m.ciécules permuttables l'une avec l'autre) et mêmes interactions.

Mais quand les deux constituants diffèrent soit par les di- mensions ou la forme moléculaires; soit par les interactionsg le term.e comoinatoire n'a plus la forme simple ci-dessu.i.

Le problème de l'évaluation du terme combinatoire n'a pu être jusqu-ici résolu c'une manière approchée que dans un sevJ. cas:

celui des solutions de chaines moléculaires de longueur différente Par ailleurs., les méthodes généralement emploj'-ées ne penr.et"

tent pas de calculer le facteur combinatoire pour des mélanges de molécules de symétrie différente (chaine-cycle. chaine-sphère, etc

C'ect précisément ce cas que nous s.vons voulu étudier.

Si on mélange des sphères et des chsJ-nes^ en doit s'attendre à une entropie d* excès non seulement pa^r suite du facteur combina- toire, mais aussi par suite des interactions et de 1-altération profonde de l'ordre local de chaque type de particule (degrés de liberté interne) qui en résulte.

Nous avons donc mesuré la tension de vapeur et la cîialeur de mélange des systèraes tétraéthylméthane-ootane n.

cyclohexane-hexane n

.T»es deux chapitres qui vont suivre sont consacrés à 1^étude

de ces systèmes. L*un décrira l'ensemble des expériences relatirec-

à ces systèmes, l'autre essayera d'interpréter les résultats»

(34)

Chapitre II

PARTIE EXEEHIiXiPijïTAi:?;

A. SUBSTAffCES H.IPLOYZES.

1 . Cyclohexane, hexane n, octane n.

Les produits que nous avons utilisés sont des échantillons de produits purs du Bureau International des Etalons physico- chimiques .

Nous avons simplement redistillé ces substances au moyen d'une colonne Crismer de 50 cm de partie active.

La température d*ébullition, remarqua'ble.aent con.Tta.nto du- rant toute la distillation, concordait à moins ce 0^1 degr4 a.Too les valeurs déterminées par le Bureau des /jtalons .,

2. Tetraéthylméthane, a) Préparation.

La synthèse de ce produit a été décrite par MORGAtJ, CARTER et DUCK (44) (à partir de ICEt^) puis, récemment, par HORTOIT (45) (à partir de Cl-CEt-^) .

Nous avons suivi le m^me procédé que HORTOÎT^-^^ mais en uti-

(l) Notre synthèse a été réalisée en 1946-1947 avaiit la publica-

tion de ce dernier.

(35)

lisant le triéthyliodométhane (3 éthyl 3 iodo pentane) au lieu du triéthylchlorométhane.

Le rendement ootenu pour la dernière étape (Et:^CI —>Et4C) a été amélioré (34- %) par rapport à celui de HORTOU (2? %) .

Voici le schéma général de la synthèse?

EtC02H acide propionique Condensation à 450° en présence de Mn02 + Th02

Et-CO-Et diéthylcétone EtO.

EtO 0 = 0 carbonate d éthyle

EtMgBr

Grignard EtMgBr

Grignard Et3C0H triéthylcarbinol

Et^CI triéthyliodométhane

|l/2 ZnEt2

Et4G tétraéthylméthane

Différents auteurs (48, 49) ont montré que 1-emploi de3 Zincdialkyies, "bien que d'un maniement peu ccmmodej estj en rea^

lité, le meilleur moyen pour obtenir des néoparaffines du type;- R2

I Rl

C

I R4

"3

1°) Synthèse de la diétijylcétoqe.

2 CgH^ - CO2H \ CO2 + H2O + Cl2rl5- 10 - CpHr^

(36)

Il»3

C'est une réaction catalytique: on fait passer des vapeurs d*acide propionique sur du ]yin02 puis du Th02 dans un four élec- trique à 450°C. L'acide est introduit goutte à goutte et est en- traîné par un courant d'anhydride carbonique. Les vapeurs de cé- tone, d'eau, d'acide propionique non transformé sont condensées»

Le liquide est décanté, lavé au C02lTa2» séché, puis distil- lé (pE 102,0). Rondement 89 %,

102,1

2°) Synthèse du triéthylcarbinol,

1) Et-CO-Et + EtMgBr > Et;, 00 Kg Br

^ H OH

2) 3 EtlIgEr + 00 S .Jto 00 Mg Br + 2 Et 0 Mg Br EtO EtO ^

Ce sont deux réactions de Grignard (46) qui donnent toutes deux un bon rendement. Nous avons obtenu successivement 71» 0 % pour 2 et 88, 87, 32 %^^^ pour 1. Nous avons préparé en tout une qiianti- té de 900 gr environ de Et^GOH.

Le triéthylcarbinol est un liquide visqueux d'odeur camphrée qui bout à 5 5 ° 8 8 sous 22,00 mm. (distillation réalisée au mano- stat K

Nous en avons préparé un échantillon très pur par distilla- tion fractionnée sous pression réduite au manostat (4 tours).

Les densités (mesuréee par I-Ime HENNAUT) de quatre fractions successives bouillant à point d'ébullition constant (55»88/22 ,00 mm.) sont:

( 1 ) Ce faible rendement (32 %) est dû à une décomposition du

produit lors de la rectification: voir plus bas.

(37)

11.4-

d° = 0,86123 0,86121 0,86121 0,86114

Le point de fusion de ce produit est de -12°3^ (thermonètr étalonné par rapport au p.F. du CCI4),

Comme tout alcool tertiaire, le Et^COH se déshydrate facil ment en donnant ;

l'éthyl 3 pentène 2 CH3 - CHj - C = CE - CH3

CH2

CH3

soit en présence d'impuretés (traces d'iode par ex.), soit en milieu trop acide (explique notre rendement de 3 2 %)t soit sim- plement sous l'action de la chaleur (il se décompose partielle- ment à l'ébullition sous pression atmosphérique, surtout lorsqu

il n'est pas absolument pur).

Disposant de 2 5 0 gr de cet hydrocarbure, nous l'avons puri fié en vue de mesurer ses constantes et de l'utiliser dans la synthèse du Et^CI,

Il bout à 9 5 ' ' 4 / 7 6 0 mm. et la densité de trois f^a>ctiens suc cessives bouillant à température constante, eat de;

d° m 0,73797

0,73795

0,73800

(38)

11,5

3°) Synthèse du triéthyliodométhane.

1) E t 3 C 0 H + HI

2) Et - C = CH - CH ^3 + ÎII Et

Nous avons obtenu ce produit en satuïajrv!; à froid (0°) et à l'obscurité le triéthylcarbinol et l'^etbyl 3 psntène 2;. par ûô 1' acide iodhydrique gazeiix.

Celui-ci est obtenu par action d'une pâte de phosphore rouge et d'eau sur de l'iode.

Le gaz est lavé dans une solution aqueuse saturée de HI et barbote dans un ballon contenant le produit à iodurerj, agité mé- caniquement .

Les rendements sont bons également (60 % pour l) et 75 ^ pour 2).

Le Et^CI comme le Me^CI est un produit très fragile. A la lumière ou sous l'action de la chaleur, i'I se décompose en déga- geant de l'acide iodhydrique et de 1-éthyl 3 pentène 2 et en se colorant en brun foncé. Ce qui oblige à le distiller scus pres-

sion réduite en chambre noire (p,E, 6A-°/].2> wm) . En présence d*humidité, il redonne le Et-^COH.

Pur, il est incolore et possède \izie odeur agréable.

Pour le débarsÊ5ser de sa coloration rouge foncée, sans laver

par une solution aqueuse (qui donnerait Et^COIl), il s'est avéré

utile d^agiter les diverses fractions sur une très petite quanti-

té de mercure métallique qui se combine à l'icde en donnant un

précipité de Hg2l2 qu'il suffit de filtrer.

(39)

La rectification de ce produit a été assea la'oorieuse, eu égard à Ba fragilité.

Si la distillation est trop énergique (ds m n i è r e à raccour- cir le temps de chauffage), le produit fonce rapidement en même temps que de l*acide iodhydriqus se diga^^e et que le piège à -20°

se remplit de 1*éthylénique plus ou moins iodé,

Hous avons rectifié le produit de chaque ioduratiorio puis reioduré toutes les t^tes et le contenu des pièges (où se trouve 1^ Etg = G = CH - CH^).

L'ensemble de ces opérations noua a fourni 1100 gr de Et^CI, soit un rendement total de 6? % (calculé en It^GOH) ,

'^°) Préparation du zincdiéthvle.

2 EtI + 2 EtBr + 4 Zn > Znl, + ZiiBr, + 2 &iEt^

Nous avons suivi ici les indications de H O L S R pcar la pré- paration du zincdiéthyle ( 4 7 ) comme pour la synthèse du Et^G (48)

Le zincdiéthyle s*o'btient en faieant rë.agir de minces co- peaiix d'un alliage Zn-Gu a ^ % Cu sur un raélange équimoléculaire de Br-Et et I-Et sous agitation mécanique, HOLLSR a montré que le rendement est ainsi plus élevé qu'avec lEt pur» en même temps que la réaction est beaucoup plus facile à conduire. Il se forme ainsi un organo-zincique mixte EtZnX solide à froid qui donne, à chaud le ZnEt2f séparé des halogénureg par distillation sous vide

On le redistille alors sous pression atmosphérique.

Le produit, très pur d'emblée, bout à 118^^6-11807/757.75

(rendement moyen 7 0 ^ ) .

Le ZnEtp s * enflamme spontanément à l'haïr, ce qui complique

(40)

1 1 , 7

sérieusement les manipulations.

Il faut opérer en présence d*un gaz inerte et sec, le COg en l'occurence (courant de l'intérieur vers l'extérieur des ré- cipients de manière à éviter l'entrée d'oxygène ou d'hiamidité.

Malgré toutes les précautions de aiccité, le gaz inerte lui-m^me, produit par un appareil de Kipp et soigneusement desséché, provo»

que toujours de légères fumées blanches de ZnO, caractéristique du contact ZnEt2 - air). En solution benzénique h ^0 %, le ZnEt^

ne s'enflamme plus spontanément à l"air: il "fume" simplement.

5°) Synthèse de CEt^ .

Et^CI + 1/2 ZnEt2 > CEt^, + 1/2 Znig

Hous avons suivi ici les indications de îîOLLER (48) pour la technique de la réaction.

L'appareil est identique à celui utilisé jKjur une réaction de Grignard. Une solution à 5 0 ^ de ZnEtg dans le benzène est introduite dans le ballon. On y laisse tomber goutte à goutte, en agitant mécaniquement, une solution k ^0 ^ de St ^CI dans le benzène.

La réaction, une fois amorcée, est très énergique (appari- tion d'un précipité blanc de Znig). La dissolution dans le ben- zène peinet de cœàdÉiTe la réaction plus aisément, et augmente en même temps le rendement.

En outre, l'emploi de benzène comme solvant semble jouer

un r6le spécifique dans la réaction: nous avons maié un essai en

solution éthérée. Nous n'avons pratiquement pas obtenu de CEt^,

maia de l'éthyl 3 pentène 2 à raison de 68%,

(41)

II. 8

Le rendement de la synthèse de CEt^,. même e-.-: sclution ben- z,éniquej est toujours faible.

En utilisant un excès de ZriFit.j {l^^ isiole de ^jTiHltp par mole de Et^CI au lieu de 0,5 mole de ZnEt2)> nous avons o'oten-'.i i-ui ren- dement de 34 % en CEt^.. HORTON (4-5) signale 25 fo, KCRGM-, CAjmiSi et DUCK (44) ne parlent pas de rendement»

Il faut signaler que, à coté du CEt^j, en obtient toujours une certaine quantité (30-40^) d*éthyléniques divers»

b) Purification du tétraéthylméthane,

Nous avons distillé le produit au moyen d^une petite colon- ne Crismer (20 cm) chauffée électriquement. Une impureté très tenace est le triéthyliodométhane. Ce produit^ si fragile à 1^

état pur, semble présenter en milieu très dilué une étonnante résistance à l'acide sulfurique concenti-é;; entre chaque tour de distillation, nous avons lavé chaque fraction k l'acide sulfuri-- quo concentré (agitation mécanique pendtar.t deux heures ; puis à la soude, pour enlever les traces d^iode libéré^ puis à i-'eau^

Jusqu'au troisième tour, les fractions de ooe^irj rec-aeilliea alors sur 0,05 degré, manifestent après deux heures d^agitaticn sur H2SO4 une très légère coloration violacée due à l'iode»

Le quatrième tour de distillation est réalisé sur sodium.

Le produit passe alors presque entièrement à 145°65/76o mm (ther- momètre corrigé par rapport au chlorbenzène étalon: pE = 132°00) „

Cependant, la température de fusion, mesurée au moyen d'un

thermocouple Fe - Constantan (étalonné par rapport aux points de

fusion du tétrachlorure de carbone -22,9 » chlorbensène -45?2 g

(42)

11,9

et chloroforme - 6 3 , 4 étalons et précis au 0 , 1 " près), reste de - 3 2 ° 3 alors que HORTOîî donne - 3 1 ° 1 .

(Ceci est dû vraisemblablement à la présence de très faibles quantités d'isomères du CEt^ qui ont à peu près le même point d*

ébullition).

Nous avons utilisé alors la fusion fractionnée comme moyen de purification.

L'appareil de la figure 29 nous a permis de remonter (en 4 tours) le point de fusion à la valeur constante de - 3 1 ° 6 .

Outre la constance du point d'ébullition et du point de fu- sion, nous avons utilisé le critère de pureté suivant: nous avons mesuré la pression de vapeur du produit pur après distillation, dans le tensimètre^-'-) (pourvu à cet effet d'un petit tube latéral fermé à son extrémité, soudé en T en-dessous de la spirale et

susceptible d'être enlevé au chalumeau sans altérer la pression dans le reste de l'appareil), de la moitié environ de la substan- ce.

S'il se trouve quelque impureté de pression de vapeur différente de celle du CEt4, la pression mesurée alors doit %tre plus faible que celle mesurée avant distillation. En fait, les deux mesures faites pour CEt^ et l'octane ont été concordantes à 0 , 1 mm près, ce qui est dans les limites des erreurs de mesures.

D'après YOUITG, ce critère de pureté est très sensible.

( 1 ) Voir la description de cet appareil page 1 1 , 5 0

(43)

11,10

Noue avons mesuré les constantes de notre produit pur p,E./76o = I45°é8 (thermomètre T é r i f i é par rapport au

chlor'ber.sène p..7!]=, = 1 3 2 . 0 0 di = 0.76730 := 0,75311

?^ {R.Philippe)

p.p. = "31°6 d^5 = 0,75691

^du ^^(i

n20 = 1,41874 ip 42596 1*4-3008

3 . Autres essais.

Le centre d*intér*èt de ce travail consiste dans l'étude des solutions de composés à symétrie sphérique.

Nous voudrions signaler également ici les tentatix-es que nous avons faites :

1 ° ) en vue de synthétiser CEt^ par une autre technique;

2°) en vue de synthétiser le 'bicyclooctane,

a) Essai de synthèse de CEt4 à partir de C{CH5B:-)4.

Ce schéma de réaction semble d'autant plus intéressant qu^

on peut espérer syntxiétiser toutes sortes de molécules CfR)^ en variant le groupe alkyle du Zn(Alk)2.

Nous avons utilisé un échantillon de C(CH2E?)4 ^ ' dûment recrîstallisé (p.F. 157°5 constant après une extraction dans 1'

( 1 ) Ce produit a été préparé pour nou3j au service de chlvcj.e or-

ganique de M. le Professeur GOVAERTS de Gand. Nous tenona à

lui dire ici toute notre reconnaissf?.nce,

(44)

alcool puis dans l'éther),

L'appareil est celui utilisé pour une synthèse de Grigiiard.

Le zinc diméthyle (produit ilerck, en ampoules scellées) eoû dissous dans l'éther ( 5 0 gr Znlie2 dans 300 ce d'éther anhydre).

La tétrabrompentaérythrite (8]^5ir)très peu soluble dans 1' éther a été introduite dans une cartouche à extraction logée dan un tube ad hoc entre le réfrigérant à reflux et le ballon.

De cette manière, les vapeurs d*éther dissolvent le prodtiit et l'amènent petit à petit en présence du Z^rlle^^ (Cette teohriiqixe est aussi utilisée pour recristalliser le produit solide) ,

Après 28 heures d'ébullition et d-'agitation, de nombreuses cristallisations se sont produites dans le ballon, mais l'intro- duction d'air provoque encore l^apparition d'épaisses fumées blanches.

Si on traite prudemment le contenu du ballon par une solu- tion diluée et glacée d'HCl^ qu'on sépare la couche éthérée et qu'on la soumet à une distillation, l'éther distille pratique - ment pur et aucune fraction de queue à point d-ébullition élevé n'indique la présence de CEt4 (p.S. 146°)*

Nous n'avons pas poursuivi ce travail, attendu qu'il sortai trop du cadre général.

Toutefois, il nous semble utile de suggérer les essais sui- vants dans cette voie, essais que nous n*avons copenc.v.tt pas ton tés» 1° synthèse de C(CH2l)4 à partir de C(CIl2Br)A (cf 50) et

essai de réaction C(CH2l)4 + 2 Zn{Clî-^) 2 » le composé iodé étant toujours plus actif,

2° remplacement de l'éther par un autre solvant. Il y a

(45)

peut-'ètre^ dans l'échec de la synthèse avec (GH23r)^.iC, le résul- tat d'une action spécifique de l'éther, cotmue nous avons JJU le constater pour une autre réaction du Zn(Alk)2.

(Toutefois, vu le point d'ébulliticn peu élevé du Z:3.lle2:

46"0, on ne peut employer n'importe quel solvant).

b) Essai de synthèse du bicyclo-octane.

La synthèse de ce produit a été décrite par différents au- teurs ^

Les modes de synthèse peuvent se classer en deux grands ty- pes suivant la manière de créer le pont endoéthylène 1 - 4 dans la molécule cyclohexanique.

1°) KOMPPA (51) réalise COOH

distillation / du sel de Mg

J - .

V

HC) Cl

5 J

COOH

Le schéma est très élégant mais les rendements sont mauvais (surtout l->2) . De plus, le produit de départ 1 n'est pas commode à obtenir.

2°) Synthèse de DIELS ALDER

a) DIELS-ALDER (53) et ALDER-STEIN (52) proposent

.II H cyclohexa- ,^ 0

-diène aldéhyde acrylique

semi carbazone + ¥olf Kishner

/XOCIi 3

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