Distillation fractionnée d'une solution aqueuse d'éthanol.

Transcription

1 Distillatio fractioée d'ue solutio aqueuse d'éthaol. I. Préparatio. 1. O souhaite travailler avec 250 ml d'u mélage -éthaol à 14,6 % vol (ce qui veut dire coteat 14,6 % volumique d'éthaol). Détermier le volume d'alcool écessaire. 2. À partir d'éthaol pur et d' distillée, préparer soigeusemet ce mélage. Pour gager du temps, e traiter les questios 3 à 6 qu'ue fois que la distillatio est mise e œuvre. 3. Détermier la fractio molaire e éthaol de ce mélage (costitué de 36,5 ml d'éthaol et 213,5 ml d'). masses molaires M = 18,02 g/mol M éthaol = 46,07 g/mol masses volumiques ρ = 1000 g/l ρ éthaol = 789 g/l 4. À l'aide du documet, détermier la température d'ébullitio de ce mélage. 5. À l'aide du documet, détermier la compositio des premières bulles de vapeur obteues lors du chauffage de ce mélage. 6. À l'aide du documet, e supposat que la coloe à distiller est idéale, détermier la température des premières vapeurs e tête de coloe et la compositio des premières gouttes de distillat. II. Évolutios temporelles lors de la distillatio. 7. Mettre e œuvre la distillatio fractioée des 250 ml de mélage, tout e maiteat le chauffage au maximum, jusqu'à l'obtetio de 40 ml de distillat, tout e mesurat : - l'éergie écessaire pour emmeer les 250 ml de mélage à ébullitio ; - la température du liquide das le ballo toutes les 1 mi (et préciser à quel momet ce liquide commece à bouillir) ; - la température des vapeurs e tête de coloe toutes les 1 mi (et préciser à quel momet les premières gouttes de distillat passet) ; - l'éergie écessaire pour obteir les 40 ml de distillat (à partir du momet où les premières gouttes de distillat passet). 8. E utilisat u tableur-grapheur, sur u même graphique, tracer la courbe représetat l'évolutio temporelle de la température du liquide das le ballo et la courbe représetat l'évolutio temporelle de la température des vapeurs e tête de coloe. III. Aalyse des résultats. 9. Comparer les deux éergies mesurées. 10. Aalyser les deux courbes obteues. 11. À partir de ces courbes, détermier la température d'ébullitio du mélage iitial. Comparer au résultat de la questio À partir de ces courbes, détermier la température des vapeurs doat les premières gouttes de distillat. E déduire la compositio de ce distillat et comparer au résultat de la questio 6.

2 Extrait adapté de la otice costructeur : Wattmètre PEREL E305EM6 Isérer le wattmètre das ue prise de courat. Le wattmètre s allume automatiquemet. Coecter l appareil (16 A maximum!) au wattmètre et l allumer. Le wattmètre affiche la valeur de puissace istataée (W). Choisir la foctio avec MODE : puissace istataée (W) éergie cosommée (kwh) coût total (prix) coût/kwh Pour cofigurer le coût/kwh, efocer MODE jusqu à ce que COST/KWH s affiche. Efocer SET et cofigurer le premier digit avec UP. Cofirmer avec SET. Cofigurer aisi les 4 digits. Esuite, cofigurer le ombre de base avec UP e cofirmer avec SET. Maiteir efocé MODE pour effacer les doées (à l exceptio de la puissace istataée). Remarque : La puissace istataée est mesurée e temps réel e e peut être effacée. Diagramme isobare d'équilibre liquide-vapeur des mélages biaires -éthaol à ue pressio de 1,013 bar Pourcetage molaire d'éthaol

3 Distillatio fractioée d'ue solutio aqueuse d'éthaol. Élémets de correctio. 1. V éthaol = 14,6 % de 50 ml = 0, = 36,5 ml puis o ajoute de l' (distillée) jusqu'à avoir 250 ml. 2. O utilise ue éprouvette graduée de 50 ml pour mesurer les 36,5 ml d'éthaol (l'éprouvette graduée est ricée avec ce qui va dedas). Ceci est versé das ue fiole jaugée de 250 ml et de l' (distillée) est ajoutée jusqu'au trait de jauge (la fiole jaugée est ricée avec l' distillée). 3. m ρ V 789 0, ,8 g m ρ V , ,5 g éthaol éthaol éthaol éthaol m M éthaol éthaol 28,8 46,07 fractio molaire éthaol = 0,625 mol éthaol éthaol 0,625 0,625 11,85 0, 0501 m M soit 213,5 18,02 11,85 mol 5,01 % molaire. 4. (voir tracé ci-après e rouge) la température d'ébullitio de ce mélage (à 5,0 % molaire d'éthaol) est 90,5 C. Pourcetage molaire d'éthaol 5. (voir tracé ci-avat e vert) les premières bulles de vapeur cotieet 31,5 % molaire d'éthaol et 68,5 % molaire d'. 6. (voir tracé ci-avat e bleu qui desced jusqu'au poit le plus bas : l'azéotrope) avec ue coloe à distiller idéale, la température des premières vapeurs e tête de coloe est 78,2 C et les premières gouttes de distillat cotieet 90 % molaire d'éthaol et 10 % molaire d' (c'est l'azéotrope).

4 7. Exemple de valeurs : - o allume le chauffe ballo à t = 0 s ; - la puissace cosommée par le chauffe ballo dot est P =129 W ; - le mélage etre e ébullitio à t = 25 mi = 1500 s ; - les premières gouttes de distillat passet à t = 26 mi = 1560 s ; - 40 ml de distillat ot été obteus à t = 50 mi = 3000 s. 8. Exemple de courbes obteues : T ballo est la température du liquide das le ballo et T tête est la température e tête de coloe à distiller 9. E pour emmeer 250 ml de mélage à ébullitio = P Δt pour emmeer 250 ml de mélage à ébullitio = 129 (1500-0) = 1, J E pour obteir 40 ml de distillat = P Δt pour obteir 40 ml de distillat = 129 ( ) = 1, J Pour comparer les deux éergies mesurées, il faut les rameer à u même volume de liquide, par exemple 1 L (o obtiet aisi des J/L) e divisat l'éergie mesurée par le volume (e litres) : E pour emmeer 1 L de mélage à ébullitio = 1, / 0,250 = 7, J E pour obteir 1 L de distillat = 1, / 0,040 = 46, J E pour obteir 1 L de distillat / E pour emmeer 1 L de mélage à ébullitio = 46, / 7, = 6 il faut doc 6 fois plus d'éergie pour obteir du distillat (ue fois que le mélage est à ébullitio) que pour emmeer le mélage à ébullitio. 10. La la température T ballo du liquide das le ballo augmete assez rapidemet et régulièremet puis, dès le début de l'ébullitio, la température augmete letemet. Cotrairemet au cas où il s'agit de l'ébullitio d'ue espèce chimique pure, la température d'ébullitio chage petit à petit car, comme le coteu du ballo s'erichit e, sa température d'ébullitio augmete. La température T tête est e tête de coloe à distiller reste égale à la température ambiate tat que rie 'arrive e tête de coloe puis, brusquemet, elle est égale à la température des vapeurs qui passet. Esuite cette température augmete letemet. Cette température chage petit à petit car, comme le coteu du ballo s'erichit e, les vapeur s'erichissemet aussi e et la température des vapeurs e tête de coloe augmete. 11. (voir tracé ci-après e violet) la température d'ébullitio du mélage iitial (à 5,0 % molaire d'éthaol) est 90,4 C, ce qui est cohérat avec les 90,5 C trouvés e questio 4.

5 12. (voir tracé ci-avat e orage) la température des vapeurs doat les premières gouttes de distillat est 84,4 C, ce qui est supérieur aux 78,2 C trouvés e questio 6 (das le cas d'ue coloe à distiller idéale) car la coloe à distiller 'est pas très performate et e permet doc pas de bie s'approcher de l'azéotrope. (voir tracé ci-après e marro) de distillat cotieet alors 49 % molaire d'éthaol et 51 % molaire d', ce qui est très différet des 90 % molaire d'éthaol et 10 % molaire d' trouvés e questio 6 (das le cas d'ue coloe à distiller idéale) car la coloe à distiller 'est pas très performate. Pourcetage molaire d'éthaol

6 Distillatio fractioée d'ue solutio aqueuse d'éthaol. Liste du matériel. ordiateur pour chaque biôme Au bur : 84.6 C luettes de protectio 500 ml d'éthaol pur bécher réserve d' distillée époge pierre poce graisse pour rodages Pour chaque biôme : 5 biômes compteurs d'éergie électrique (wattmètre) 90.5 C 2 paires de luettes de protectio pissette d' distillée fiole jaugée 250 ml chroomètre chiffo pice e bois support e liège pour ballo motage de distillatio fractioée avec 2 thermomètres umériques : 2 supports élévateurs chauffe-ballo ballo bicol coloe à distiller avec isolat tête de coloe réfrigérat droit à éprouvette graduée 50 ml 2 thermomètres umériques boucho troué pour tête de coloe et thermomètre boucho troué pour ballo bicol et thermomètre θ (e C) liquide vapeurs t (e s)