Transcript Exemple d’utilisation d’animations dynamiques dans un diaporama powerpoint ® ou Impress Construction, lecture et utilisation d’un diagramme binaire en chimie (spé PC, MP,

Exemple d’utilisation d’animations dynamiques
dans un diaporama powerpoint ® ou Impress
Construction, lecture et utilisation d’un diagramme binaire
en chimie (spé PC, MP, PSI, PT).
Barbara Delattre, Chimie, PC*
Lycée Pasteur, Neuilly/Seine.
 Diagrammes binaires: diagrammes indiquant
les états physiques sous lesquels on retrouve
deux constituants chimiques dans les différents
domaines de composition, de température et/ou
de 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 )
 Diapositives extraites d’un cours de chimie de
spé PC* d’environ 5 heures.
 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 pédagogique
de l’utilisation d’un outil très simple d’utilisation:
les animations dynamiques qui permettent par
exemple de déplacer simultanément un point
représentatif du système sur différentes courbes.
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
 ω fraction massique, pourcentage en masse.
ω2: fraction massique globale de A2 dans l’ensemble des phases
ω 2s: fraction massique du constituant A2 dans la phase solide
La variance indique le nombre de
degrés de liberté d’un système
physicochimique . C’est le nombre de
paramètres intensifs indépendants que
l’on peut faire varier sans rompre
l’équilibre physicochimique du système.
Théorème de Gibbs, ou règle des phases de Gibbs
• V = 3 – φ pour un corps pur
• Et en l’absence de réaction chimique
V = 4 – φ pour un mélange binaire.
Courbe d’analyse thermique isobare d’un corps pur
P
T
P = 1 bar
C
Solide
M
Vapeur,v = 2
liquide
Liquide = vapeur, v = 1
Teb
P = 1 bar
Liquide, v = 2
M
Solide=liquide, v = 1
Tfus
t
vapeur
Tfus
Retard possible au
changement d’état
Teb
T
Paliers lors des changements d’état
Solide, v = 2
temps
Variance = 3 - φ
Courbes d’analyse thermique d’un mélange binaire Cd-Bi
Refroidissement du cadmium
liquide pur
M
θ (°C)
Apparition des
1ers cristaux de
Cd
Refroidissement du mélange liquide
homogène, x(Bi) = 0,30
M’
Apparition des 1ers
cristaux de Cd
320
200
Disparition de la
dernière goutte
de liquide
Apparition des
1ers cristaux de Bi
Refroidissement du
cadmium solide pur
145
Cristallisation simultanée des deux
solides Cd et Bi non miscibles
Disparition de
la dernière
goutte de
liquide
temps
Cas d’un mélange liquide réel avec liquides miscibles
Diagramme isobare P = constante
x2 = 0
x2 = 0,3
T
x2 = 0,7
T
VAPEUR
x2 = 1
T (K)
L=V
LIQUIDE
COURBES ANALYSE THERMIQUE
t (s)
0
1
x2
T
Signification des courbes frontières
*
1
T
T
Vapeur
Liq  vap
Liquide
0
*
2
T
1
x2
courbe d'ébullition : Cette courbe est la séparation entre
le liquide et le mélange liquide -vapeur.
courbe de rosée : Cette courbe est la séparation entre la
vapeur et le mélange liquide-vapeur
Autre signification des courbes frontières:
A l’intérieur du fuseau comme v = 2, à T donnée pour P fixée la composition du système
est fixée (x1v et x1l).
T
Vapeur
P fixée
Vapeur = Liquide
M
M=A
M=B
Liquide
x1 =
x1v
x1
x1 =
x1l
x1
Règle de l’horizontale
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.
T
Signification des courbes frontières
*
1
T
T
Vapeur
Liq  vap
Liquide
0
*
2
T
x2l
x2v
1
x2
Étudions par exemple la compression isotherme d’un mélange binaire gazeux (A1, A2)
P
T fixée
P
M5
P A1 *
•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.
M3
•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 de
liquide augmente au détriment de la quantité de gaz
(théorème des moments chimiques), le liquide et la vapeur
s’enrichissent en A1, composé le plus volatil;
LIQUIDE
V=2
M4
Liq=Vap
V=1
M2
PA2*
M1
VAPEUR
V=2
0
x1l
Mo
•De M0 à M1, le système reste monophasé et la composition du
système n’évolue pas.
•En M4, il reste une bulle 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.
xA1
x1v 1
•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.
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.
T(°C)
P fixée
T
Vapeur
Composition de
La vapeur entraînée
disparition de la
dernière
goutte de A2
A V
l
2
A1l  V
H
disparition de la
dernière
goutte de A1
A1l + A2l non miscibles
M
0
x2 v
Evolution de la composition globale en x2
dans l’ensembles des 2 phases liquides
x2
Apparition de la
première bulle de
vapeur
temps
Application: distillation fractionnée
thermomètre
réfrigérant
T
vers l’évier
arrivée
d’eau froide
colonne à distiller
de Vigreux
mélange à distiller
récipients
collecteurs
pierre ponce ou
carborundum
chauffe ballon
Visualisation des plateaux théoriques : colonnes à plateaux
0
x2l
x1l
x3l
x4l
x5
l
1 xB
*
B
T
M
T5
T4
Vapeur ascendante
Liquide descendant
x5 l
xv
5
x4v
T3
x3l
LIQUIDE
x4l
x3v
x2l
T2
x2v
x1v
T1
Aliq  Bliq miscibles
VAPEUR
*
A
T
T
T
x1v
x2v
x3v x4v
x5 v
x1l
CHAUFFAGE
Application: Mélange H2O-NaCl
Courbes d’analyse
thermique pour un
mélange binaire eau-sel.
Fraction massique en NaCl.
Centrale-Supélec
Chimie, PC, 1999.
Application: Mélange H2O-NaCl
P = P atmosphérique
T
Liquide L
0°C
-11°C
GLACE ORDINAIRE A – 11°C
m glace = 9,17 kg or ωNaCl min=1 cm
0,15
2
1 de
m sel
m NaCl = 1,62 kg
V = 0,01 m3
Glace + L
µ = 917 kg.m-3
E
-21,6°C
Glace + sel: solides non miscibles
0,15
0,23
ωNaCl
Si on ajoute du sel à la glace dans des conditions
isothermes à Text et si Text>TE, si la teneur en sel est
suffisante, la glace fond.
Utilisation de glycol comme antigel
- 10 °C
Liquide
CCP, 2007,
Chimie1, PC
Eau solide
+
Liquide
ω = 23,6 %
Pour qu’un mélange antigel ne gèle pas à – 10 °C, il faut
ajouter au moins 310 g de glycol à 1 litre d’eau.
Application: conditions adiabatiques
Mélange réfrigérant eau-NaCl
T
P = P atm
Liquide L:
Solution aqueuse de NaCl
0°C
Glace + L
-21,6°C
Glace + sel: solides non miscibles
0,23
ωNaCl
Equilibre
Ajouteau-glace
de NaCl à 0°C
Le sel se dissout dans l’eau
Equilibre Glace pure et eau/NaCl liquide
La température diminue
Conclusion
Outil simple d’utilisation
qui permet, associé à des
expériences de cours, de
rendre son cours interactif.