DIAGRAMME BINAIRE EN EQUILIBRE LIQUIDE VAPEUR

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1 DIAGRAMME BINAIRE EN EQUILIBRE LIQUIDE VAPEUR L'objectif du TP est de tracer un diagramme isobare en équilibre liquide vapeur du binaire H 2 O / HCl, par une méthode utilisant le principe de la distillation simple. Rappels : La courbe d ébullition donne la composition du liquide La courbe de rosée donne la composition de la vapeur De l acide concentré (dangereux et irritant) est utilisé. Pour des raisons évidentes de sécurité : le port des lunettes est obligatoire ne pas respirer les vapeurs d acide (mise en route du système d extraction d air) Arriver très vite à la mise en route du chauffage (fin du paragraphe II), afin de disposer d un temps suffisant pour l indispensable exploitation des mesures! I Dispositif expérimental : Réfrigérant Ballon bicol ou tricol Chauffe ballon électrique Bécher Le montage fait intervenir un ballon tricol ou bicol : seules deux des ouvertures serviront pendant la manipulation. Nous allons réaliser une ébullition sous une pression constante voisine de 1 bar. Les vapeurs dégagées se recondensent, grâce au réfrigérant, et s écoulent dans un petit récipient. Le liquide obtenu par condensation s appelle distillat. Le liquide restant dans le ballon s appelle résidu. Les compositions du distillat (identique à celles de la phase gazeuse) et du résidu (phase liquide) seront obtenues, après prélèvements réguliers, en dosant l acide avec une solution de soude. II Mise en route du chauffage: Pour réaliser le binaire, faut il verser l acide dans l eau ou l eau dans l acide? Pourquoi?

2 * Réaliser le mélange constitué de 130 ml d'eau distillée et de 50 ml d'acide chlorhydrique du commerce à 33 % en masse environ, en utilisant une éprouvette graduée (on peut en effet se contenter d une faible précision sur les volumes). * Agiter la solution avec précaution pour l homogénéiser. * Prélever ensuite avec une pipette jaugée 2 ml de cette solution, que l on versera dans un tube à essais appelé R o. Cet échantillon sera utilisé pour le premier dosage au paragraphe 33. * Introduire le mélange dans le ballon à l aide d un entonnoir. * Ajouter trois grains de pierre ponce : ces grains apportent des germes gazeux (petites bulles d'air) régularisant l'ébullition. * Boucher le ballon. Mettre rapidement en route le chauffe ballon (interrupteur sur II, potentiomètre au maximum). * Faire circuler l'eau froide dans le réfrigérant de bas en haut, c'est à dire à contre courant de la vapeur. Attention : ouvrir lentement le robinet! Le débit ne doit pas être trop important, pour éviter que les tuyaux ne se détachent du réfrigérant! * Préparer deux séries de 5 tubes à essais notés D 1, D 2, D 3, D 4, D 5 (D pour distillat) et R 1, R 2, R 3, R 4, R 5 (R pour résidu). Les rincer à l'eau distillée et les faire égoutter. III Attente de l ébullition : Il faudra un certain temps pour que le mélange entre en ébullition. Ce délai est, bien entendu, mis à profit! Surveiller le dispositif : dès que l ébullition est atteinte, passer au paragraphe IV, et terminer la présente étude dès que le temps le permet. Question préliminaire : En faisant abstraction des quantités de distillat et de résidu régulièrement prélevés, le système étudié est il un système fermé? 31 Principe théorique de la distillation simple : Ce paragraphe est à étudier et à connaître. Considérons un binaire A / B, de diagramme isobare représenté ci dessous : T Courbe de rosée T eb B L 2 M 2 Courbe d ébullition L M V M 1 V 1 M 0 T eb A x A

3 Le binaire, sous forme liquide en début de manipulation, a M 0 pour point initial. Par chauffage, le point représentatif M va décrire une verticale. a] Début d ébullition : Au point M 1, le liquide entre en ébullition. La phase vapeur correspondante a la composition du point V 1 : elle est donc plus riche en A. La condensation de cette vapeur par le réfrigérant donne donc un distillat qui s est enrichi en A, constituant le plus volatil. b] Poursuite du chauffage : Au fur et à mesure que la température augmente (point M) : le liquide (point L) a une composition variant de M 1 à L 2 : le résidu s appauvrit donc en A, constituant le plus volatil. la vapeur (point V) a une composition variant de V 1 à M 2 : le distillat est donc plus riche en A (constituant le plus volatil) que le mélange initial. La distillation simple ne permet pas de séparer les corps purs d un mélange. 32 Tracé du diagramme de référence : Les mesures de référence suivantes ont été effectuées sous p = 1 bar (valeur précise) : Numéro du prélèvement Température C ,5 107, ,1 C HCl distillat mol 0,06 0,16 0,26 0,50 1,00 1,86 3,10 4,54 5,68 6,02 L 1 C HCl résidu mol L 1 2,88 3,30 3,76 4,18 4,54 5,06 5,48 5,68 5,92 6,00 * Tracer le diagramme isobare de référence correspondant : T fonction de C HCl distillat et résidu. Quel est le nom de chacune des courbes tracées? Quelle est la signification de chacun des domaines découpés dans le plan? La température d'ébullition de l'acide chlorhydrique pur sous 1 bar étant de 80 C, en déduire que le binaire donne lieu à un mélange azéotropique. Evaluer les coordonnées (C HCl, T) de l'azéotrope, ainsi que le titre massique en HCl des phases vapeur et liquide en ce point. Données : Masses molaires : H : 1 g mol 1 ; Cl : 35,5 g mol 1 Masse volumique du binaire à 6,01 mol L 1 de concentration en HCl : 1, gl 1 Remarque : Lorsqu'on débouche un flacon d'une solution d'acide chlorhydrique, de concentration supérieure à celle de l'azéotrope, on constate l apparition de «fumées» blanches en présence d'air humide. En effet, HCl gazeux se forme par évaporation, et donne ensuite, avec l humidité de l atmosphère, des solutions liquides formant des brouillards, improprement appelés «acide fumant». 33 Dosage du mélange liquide initial : * Doser le prélèvement initial R o par une solution 0,5 mol L 1 de soude : Mettre dans le bécher les 2 ml du prélèvement, 10 ml environ d'eau distillée et trois gouttes de bleu de bromothymol. (Pourquoi cet indicateur coloré?). Déduire la concentration initiale de l'acide chlorhydrique. IV Les prélèvements et leur dosage : 41 Prélèvements du distillat et du résidu :

4 Les opérations suivantes s effectuent dès l apparition de l ébullition. Précautions : Ne pas laisser calciner le contenu du ballon : arrêter le chauffage avant. Attention à la casse! Attention à la dilatation thermique : vérifier la bonne tenue du thermomètre et des bouchons. * Recueillir environ 5 ml pour D 1 (distillat). Vérifier que durant le prélèvement, la température est sensiblement constante, et la relever. Si elle n est pas rigoureusement constante, estimer la température moyenne sur la durée du prélèvement. * Mettre ensuite le verre poubelle à la place. Attendre que la température se soit élevée, puis installer un tube à essais pour D 2 et ainsi de suite pour D 3, D 4, D 5, en s assurant à chaque fois que la température des prélèvements est sensiblement constante. * Dans chaque intervalle où le verre poubelle est en place, noter la température, PUIS prélever à l'aide d'une pipette, munie de sa propipette, environ 5 ml de résidu, en ouvrant l'un des bouchons latéraux du tricol. ATTENTION AUX EVENTUELLES PROJECTIONS D'ACIDE CHAUD (Port des lunettes de protection obligatoire). * Reboucher rapidement. Mettre le contenu dans le tube à essais noté R 1. Procéder de même pour les prélèvements R 2, R 3, R 4, R 5. Les différents prélèvements doivent être régulièrement répartis entre environ (98 à 100 C) et (107 à 109 C). On peut, simultanément aux prélèvements, réaliser les dosages du paragraphe 42, si le temps le permet. 42 Dosage des prélèvements : * Laisser refroidir les échantillons. * Effectuer ensuite les dosages de 2 ml de chaque prélèvement (comme pour R 0 ) en prenant : la solution 0,5 mol L 1 de soude pour les résidus, la solution 0,1 mol L 1 de soude pour les premiers distillats D 1, D 2 et D 3 (Pourquoi?), la solution 0,5 mol L 1 de soude pour les distillats suivants. * Dresser un tableau de mesures : Numéro du prélèvement Température C HCl distillat C HCl résidu V Exploitation des résultats : * Superposer les points de mesure au diagramme de référence, tracé au paragraphe 31. * Conclure. Données : 1) Température d ébullition de l eau pure en fonction de la pression : p (mm Hg) 733,3 746,5 760,0 773,7 787,6 Température d ébullition ( C) 99,00 99,50 100,00 100,50 101, mm Hg = 1 atm = Pa. 2) Température et composition de l azéotrope en fonction de la pression :

5 p (mm Hg) Température ( C) 48,724 85,205 97, , , , ,185 Titre massique de HCl (%) 23,42 21,883 20,977 20,507 20,268 20,222 19,734 Quelques pistes de réflexion : Etalonnage du thermomètre (Comment procéder?) Précision du thermomètre Pertes thermiques (Où sont elles localisées?) Précision des dosages