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Mélanges et transformations
Partie 1. Changements d’état isobares de mélanges binaires
1.3. Principe de construction expérimentale d’un diagramme isobare LV
Objectifs du chapitre
→ Notions à connaître :
Courbe d’analyse thermique ;
→ Capacités exigibles :
Tracer un diagramme isobare à partir de courbes d’analyse thermiques fournies.
Tracer une courbe d’analyse thermique à partir d’un diagramme isobare fourni.
Problématiques :
Qu’est-ce qu’un diagramme de phases ? Qu’est-ce qu’une courbe d’analyse thermique ?
Comment justifier l’allure d’une courbe d’analyse thermique ?
Comment construire le diagramme à partir de courbes d’analyse thermique ?
Comment obtenir des courbes d’analyse thermique à partir d’un diagramme de phases ?
1. Introduction
1.1. Présentation
Ce chapitre traite des changements d’état de mélanges binaires. Le programme limite l’étude aux changements d’état isobares.
Seules la température et les variables de composition (fractions molaires ou massiques) sont susceptibles d’être modifiées au cours de cette transformation physique.
Mélange binaire :
Mélange de deux constituants chimiques A1 et A2 inertes l’un vis-à-vis de l’autre.
Diagramme de phases isobare d’un mélange binaire :
Diagramme décrivant le changement d’état d’un mélange binaire :
Abscisse : Variable de composition (fraction molaire ou massique)
Ordonnée : Température
Par simple lecture du diagramme, on peut déterminer totalement l’état du système lors du changement d’état :
Nombre de phases
Nature des phases
Composition de chacune des phases présentes
Température de début et de fin de changement d’état
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Expl : Allure d’un diagramme binaire isobare pour un mélange idéal en phase liquide et en phase vapeur
P = cte
1.2. Inventaire des phases en présence
A l’état gazeux Les deux composés A1 et A2 sont toujours miscibles en toutes proportions : la phase gaz constitue une phase unique, homogène et réputée suivre le modèle des gaz parfaits.
Situation Signification Nombre de phases gazeuses
Miscibilité gazeuse totale
A1 et A2 se mélangent parfaitement, quelle que soit leur proportion respective dans la phase gaz
A l’état liquide Trois situations sont possibles en fonction de la miscibilité ou non des deux composés :
Situations Signification Nombre de phases liquides
Miscibilité liquide totale A1 et A2 se mélangent parfaitement, quelle que soit la proportion de l’un par rapport à l’autre.
Immiscibilité liquide A1 et A2 ne se mélangent pas. Ils forment chacun une phase liquide pure.
Miscibilité liquide partielle
Tant que la saturation n’est pas atteinte, les deux liquides se mélangent pour ne former qu’une phase. Au-delà, le liquide excédentaire ne peut plus être dissous : il forme une seconde phase non miscible avec la première.
Avant saturation : A partir de la saturation :
1.3. Description du système
Déjà vu ! La composition de chacune des phases est décrite au moyen d’une fraction molaire ou massique :
Fractions molairesau sein de la phase ϕ : 𝑥1𝜑= 𝑛1𝜑
𝑛𝑡𝑜𝑡𝜑 = 𝑛1𝜑 𝑛1𝜑 + 𝑛2𝜑 𝑥2𝜑= 1 − 𝑥1𝜑
Fractions massiques au sein de la phase ϕ : 𝑤1𝜑= 𝑚1𝜑
𝑚𝑡𝑜𝑡𝜑 = 𝑚1𝜑 𝑚1𝜑 + 𝑚2𝜑 𝑤2𝜑= 1 − 𝑤1𝜑
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Extension Bien qu’une fraction molaire ne puisse être définie qu’au sein d’une phase, il est pratique de définir une fraction molaire globale :
Fraction molaire globale en composé Ai : 𝑥𝑖= 𝑛𝑖
𝑛𝑡𝑜𝑡 = 𝑛𝑖𝑣 + 𝑛𝑖ℓ
𝑛1𝑣 + 𝑛1ℓ + 𝑛2𝑣 + 𝑛2ℓ
Elle représente le pourcentage de l’espèce Ai dans le système pris dans son ensemble (liquide + vapeur).
L’inertie chimique entre A1 et A2 implique que la composition globale du système reste globalement constante, mais la composition de chacune des phases peut varier au cours du changement d’état.
x1 constante Pendant le changement d’état :
𝑥1ℓ et 𝑥1𝑣changent
2. Principe de construction expérimentale d’un diagramme isobare
2.1. Courbes d’analyse thermique
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On constitue plusieurs mélanges liquides des constituants A1 et A2, de façon à couvrir l’ensemble des compositions pour passer d’un corps pur à l’autre.
Par exemple : 0 % de A2 30 % de A2 50 % de A2 80 % de A2 100 % de A2.
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Ces mélanges sont chauffés sous P constante.Remarque : On peut aussi refroidir des mélanges binaires gazeux pour obtenir une courbe d’analyse thermique de refroidissement isobare.
Courbe d’analyse thermique :
La courbe d’analyse thermique correspond à l’enregistrement de la température en fonction du temps lors du chauffage (resp. refroidissement) d’un mélange binaire initialement liquide (resp. gazeux).
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Exemples d’allures possibles : D’autres types de courbes seront vus ultérieurementT P = cte
A1 corps pur Mélange A1 + A2 A2 corps pur
t
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A quoi correspondent les points de rupture de pente ?
Pourquoi la pente diminue-t-elle quand commence la vaporisation du mélange ?
Quand une courbe admet-elle un palier de température ?
2.2. Construction d’un diagramme
Exemple : Mélange binaire eau-méthanol tracé sous pression atmosphérique :
Construction pas à pas :
Se reporter au diaporama téléchargeable sur le site http://jlamerenx.fr Courbes d’analyse
thermique Diagramme des phases
-5- Principe de construction :
(1) Préparer le diagramme :
Ordonnée : Température T
Abscisse : Fraction molaire du mélange en un des constituants (A2 ici) :
Si x2 = 0 : il y a 0 % de A2 : A1 est pur.
Si x2 = 1 : il y a 100 % de A2 : A2 est pur.
(2) Placer les points déduits des courbes d’analyse thermique :
Pour chaque composition, les températures de début et de fin de changement d’état sont reportées.
(3) Construire les courbes :
Relier les points de débuts de changement d’état.
Relier les points de fin de changement d’état.
(4) Attribuer les domaines et les noms des frontières :
Domaine liquide : du côté des basses températures ! Domaine Vapeur : du côté des hautes températures !
Courbe de rosée : Frontière entre domaine vapeur et zone diphasée liquide/vapeur Courbe d’ébullition : Frontière entre domaine liquide et zone diphasée liquide/vapeur
Application : Construire le diagramme binaire acétone/Hexane sous une pression de 1 bar (xa : fractions molaires en acétone retenues pour la construction : 0,0 – 0,20 – 0,50 – 0,70 – 0,80 – 1,0).
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3. Et à l’envers ? Déduire les courbes d’analyse thermique d’un diagramme
Les deux principes à avoir en tête :
Un changement d’état n’est jamais instantané.
Les courbes de rosée et d’ébullition indiquent les températures de début et de fin de changement d’état pour un mélange de composition donnée.
Exemple : Mélange binaire eau-acide nitrique sous pression de 1,0 bar Abscisse : fraction molaire d’acide nitrique
Construire les courbes d’analyse thermique dans les cas suivants :
Chauffage isobare de l’acide nitrique (corps pur) Refroidissement isobare d’une vapeur contenant 30% d’acide
-7- Chauffage isobare d’un mélange à 67% d’acide nitrique
