TD Chap T-2 et T-3 : Diagrammes binaires

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1 Ex 1 : qualifiez chaque mélange liquide : miscible idéal, miscible NON idéal, NON miscible, partiellement miscible. a) b) Ex 2 : courbes de refroidissement d un mélange binaire liquide-gaz b) T c) d) a) t c) d) 1) Une de ces 4 courbes de refroidissement est impossible. Laquelle et pourquoi? 2) attribuez chaque courbe de refroidissement à 1 type de mélange : Mélange liquide miscible Mélange homoazéotropique Mélange hétéroazéotropique Mélange liquide NON miscible Corps pur e) f) Ex 3 : On se propose d établir le diagramme binaire liquide-vapeur d un mélange eau (composé 1)-benzène (composé 2). Pour ce faire, on a établi les courbes d analyse thermique : ces courbes sont obtenues en refroidissant sous 1 bar différents mélanges gazeux eau-benzène. Selon la composition du mélange, on observe sur ces courbes une ou plusieurs ruptures de pente, pouvant correspondre éventuellement à des paliers. Dans le tableau ci-dessous, on indique la fraction molaire d eau dans le mélange initial gazeux ainsi que les températures de rupture de pente traduisant l apparition d une phase liquide. On a souligné les températures correspondant à l existence d un palier. On notera x 1 la fraction molaire d eau dans le liquide et y 1 la fraction molaire d eau dans la vapeur. PC Page 1 sur 5

2 Point A 1 A 2 A 3 A 4 A 5 A 6 A 7 A 8 A 9 Fraction molaire d eau dans le 0 0,10 0,20 0,26 0,30 0,50 0,70 0,90 1 mélange initial Première température de rupture de 353,0 348,7 344,0 340,8 343,8 355,6 363,9 370,2 373,0 pente (K) Deuxième température de rupture de pente (K) 340,8 340,8 340,8 340,8 340,8 340,8 1.1 Tracer l allure du diagramme binaire du mélange eau-benzène T = f(x 1 ou y 1 ) en faisant apparaître la courbe de rosée et la courbe d ébullition dans deux couleurs différentes. 1.2 Indiquer, sur ce schéma, la nature des phases présentes dans les différents domaines. 1.3 D après le diagramme, les deux liquides présentent-ils une miscibilité nulle ou totale? Justifier ce résultat en comparant les propriétés de ces deux solvants. 1.4 Comment appelle-t-on le point A 4? Indiquer la composition du système en ce point. Calculer la variance. 1.5 Calculer Π* eau et Π* benzène pression de vapeur saturante de l eau et du benzène à 340.8K. 1.6 On refroidit sous 1 bar un mélange gazeux de fraction molaire en eau y 1 = 0,10. Indiquer à quelle température apparaît la première goutte de liquide et à quelle température disparaît la dernière bulle de vapeur. 1.7 On chauffe un mélange liquide équimolaire eau benzène sous 1 bar A quelle température l ébullition commence-t-elle? Quelle est alors la composition de la phase vapeur? La vapeur est éliminée au fur et à mesure de sa formation. Indiquer quel liquide disparaît en premier. Quelle est la valeur de la température lorsque la dernière goutte de ce liquide disparaît? Quelle est alors la composition de la phase vapeur? Rappeler le principe d un entraînement à la vapeur d eau. Quel en est l intérêt? Représenter le dispositif expérimental permettant de réaliser cette opération. 1.8 On introduit à 25 C, dans un récipient fermé et maintenu à la pression P = 1 bar, un mélange constitué de 1,4 moles d eau et 0,6 mole de benzène. Indiquer la composition exacte du système à l équilibre (nature des phases et quantité de matière de chaque constituant dans chaque phase) pour les températures suivantes : a) T = 330,0 K b) T = 355,6 K c) T = 370,2 K Ex 4 : diagramme binaire isobare eau/acide nitrique (d après ENSIM 88). La composition est exprimée en fraction massique en acide nitrique. 1) Identifier les courbes d ébullition et de rosée. 2) Quel est le nom donné au point A? Quelles propriétés présente ce point? Déterminer ses coordonnées et en déduire la fraction molaire en acide nitrique en A. 3) L analyse d un échantillon du mélange obtenu lors de la préparation industrielle de l acide nitrique donne n tot = 4,00 mol (eau et acide nitrique) et n (acide nitrique) = 0,30 mol. A quelle température faut-il porter l échantillon pour qu il commence à bouillir? 4) On chauffe l échantillon ci-dessus à 110 C. Déterminer la composition et la masse des phases en présence. 5) On distille l échantillon précédent. De quoi est constitué le distillat? De quoi est constitué le résidu de distillation? Déterminer leurs masses. PC Page 2 sur 5

3 Ex 5 : existence de composés définis. Le diagramme binaire isobare liquide/solide simplifié du mélange calciummagnésium est donné ci-après. 1) Déterminer les coordonnées du point C, en déduire la formule du composé défini correspondant. 2) Identifier la nature des phases présentes dans les différents domaines. 3) Tracer l allure des courbes d analyse thermique par refroidissement des systèmes représentés par les points M 1 à M 7 en précisant les températures des ruptures de pente. 4) Un mélange liquide de calcium et de magnésium, de masse m = 100 g, de fraction massique en magnésium w(mg) = 0,70, est lentement refroidi. Déterminer la nature, la masse et la composition des phases présentes à 600 C et 400 C. Ex 6 : (d après CAPES externe 98). M(Mg) = 24 g.mol -1 et M(Ca) = 40 g.mol -1 PC Page 3 sur 5

4 T(K) TD Chap T-2 et T-3 : Diagrammes binaires Ex 7 : On donne ci-dessous le diagramme binaire isobare solideliquide germanium-silicium diagramme binaire isobare solide-liquide Ge-Si en abscisse: x(2)=x(si) liquidus solidus NH ,2 0,4 0,6 0,8 1 On étudie un échantillon constitué de 4,2 g de silicium et 7,3 g de germanium. 1. calculer la fraction molaire correspondant. 2. Décrire la courbe de réchauffement de cet échantillon. 3. Pour T = 1450 K, déterminer la composition des deux phases, en fraction molaire, en quantité de matière puis en masse. x2 M(Si)=14 g.mol -1 ; M(Ge)=32g.mol -1 PC Page 4 sur 5

5 Ex 8 : (extrait de Mines 1999) PC Page 5 sur 5