Partie 1. Changements d état isobares de mélanges binaires 1.4. Lecture d un diagramme binaire

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1 Mélanges et transformations Partie 1. Changements d état isobares de mélanges binaires 1.4. Lecture d un diagramme binaire Objectifs du chapitre Notions à connaître : Théorème des moments chimiques Composé volatil Capacités exigibles : A partir d un diagramme fourni, Déterminer les températures de début et de fin de changement d état d un mélange quelconque Donner la composition des phases en présence, ainsi que les quantités de matière ou masses dans chaque phase Le diagramme de phases d un mélange binaire est un outil performant car il permet de déterminer totalement l état du système physico-chimique, par simple lecture graphique. Problématiques : Comment déterminer les températures de début et de fin de changement d état pour un mélange particulier? Comment connaître le nombre et la composition des phases en présence à une température donnée. 1. Obtenir une température de changement d état Où lit-on les températures de début et de fin de changement d état d un mélange binaire? -1-

2 Un mélange initialement liquide contenant 2,0 mol de B et 3,0 mol de A est chauffé sous pression constante dans un réacteur fermé. A partir du diagramme de phases fourni, déterminer par lecture graphique : La température d apparition de la première bulle de vapeur? La température de disparition de la dernière goutte de liquide? 2. Obtenir une composition relative (% des espèces dans chaque phase) Théorème de l horizontale : Soit un mélange binaire sous deux phases (1 liquide et 1 vapeur) à la température T0. Les intersections du segment horizontal T = T0 avec la courbe de rosée et la courbe d ébullition fournissent la composition relative de chaque phase en présence. Intersection avec la courbe d ébullition composition de la phase liquide, x2 l Intersection avec la courbe de rosée composition de la phase vapeur, x2 v Le théorème de l horizontale ne s applique que pour un système diphasé. Pour le mélange précédemment étudié (liquide contenant 2,0 mol de B et 3,0 mol), déterminer par lecture graphique : La composition de la première bulle de vapeur? La composition de la dernière goutte de liquide? -2-

3 A 96 C, quelle est la composition des deux phases en présence? Pendant le changement d état, les deux phases ont-elles la même composition? L enrichissement de la phase vapeur en composé B était-il prévisible? Le diagramme permet-il de dire si les constituants chimiques A et B sont miscibles ou non à l état liquide? Justification du théorème : Nombre de degrés de liberté du système lorsqu il est diphasé : -3-

4 Nombre de degrés de liberté utilisés pour placer le point représentatif du système : Conclusion : 3. Obtenir une composition absolue (qté de matière ou masse) Théorème des moments chimiques : Les quantités de matière totales dans chaque phase d un système diphasé sont liées par la relation : ntot l.ml = ntot v.mv ntot l : qt totale de matière en phase liquide (ntot l = n1 l + n2 l ) ntot v : qt totale de matière en phase vapeur (ntot v = n1 v + n2 v ) ML et MV : longueurs des segments correspondants Le théorème fait apparaître deux inconnues (ntot l et ntot v ). Leur détermination nécessite donc une seconde équation! En général, c est : ntot = ntot l + ntot v = ntot Le théorème de l horizontale ne s applique que pour un système diphasé. Il fait apparaître les quantités totales au sein d une phase (et non la quantité d un constituant) Si l abscisse est la fraction massique, le théorème s écrit avec des masses : mtot l.ml = mtot v.mv Application : Diagramme de phases liquide-vapeur isobare du mélange binaire eau-acide nitrique : Le mélange étudié est initialement liquide. Il contient au total 4,0 mol de matière. La fraction molaire en acide nitrique est égale à 30 %. Données : MH2O = 18 g.mol -1 et MHNO3 = 63 g.mol -1-4-

5 D après le diagramme, l eau et l acide nitrique sont-ils miscibles à l état liquide? Justifier. A 110 C, quelle est la composition de chacune des phases en présence? Quelles sont les quantités de matière totales dans chaque phase? Quelles sont les quantités de matière d eau et d acide nitrique dans chaque phase? -5-

6 Quelle est la masse de chaque phase? -6-