[PDF] TD T5A Etude des équilibres liquide-vapeur des mélanges binaires

TDT5A-Etudedeséquilibresliquide-vapeurdesmélangesbinaires1RPC-LycéeBaimbridge-Décembre2017A.MOMINTDT5AEtudedeséquilibresliquide-vapeurdesmélangesbinairesCOMPETENCESENTRAINEMENTConstruireundiagrammeisobare d'équilib reliquide/vapeurd'unmélang ebinaireàpartird'informationsrelativesauxcourbesd'analysethermique(T51)Exo1Décrirelescaractéristiquesdesmélangeshomoazéotropesethétéréoazéotropes(T52)Exo2,3,5,6Dénombrerlesdegrésdelibertéd'unmélangebinaireàl'équilibreetinterpréterlerésultat(T53)Exo1,2,3,5Exploiterlesdiagrammesisobaresd'équilibreliquide-vapeurpour,àfractionmolaireoumassiquedonnée,tracerl 'alluredelacourbed'analysethermiqueenindiquant lenombrededegrésdelibertésurchaquepartiedelacourbe(T54)Exo2,3,5Exploiterlesdiagrammes isobaresd'éq uilibreliquide-vapeurpour,àfrac tionmolaireoumassiquedonnée,déterminerlestempératuresdedébutetdefindechangementd'état(T55)Exo1,3,5,6Exploiterlesdiagrammesisobaresd'équilibreliquide-vapeurpour,àfractionmolaireoumassiquedonnée,donnerlacompositiondesphasesenprésenceàunetempératurefixéeainsiquelesquantitésdematière/massesdanschaquephase(T56)Exo1,2,3,6Interpréterunedistillationsi mple,unedi stillationfractionnéeouunedistil lationhétéroazéotropiqueàl'aided'undiagrammeisobared'équilibreliquide-vapeur(T57)Exo2,4,5WARNING!LESERREURSLESPLUSCLASSIQUES...-Fairetrèsattentionàl'abscissedudiagramme(fractionmolaireoumassique).-Lethéorèmedel'horizontalenesertàdéterminerquelacompositiond'unephase(fractionmolaireoumassique).Lethéorèmedesmomentsenrevanche,combinéauprécédent,permetdedéterminerlesquantitésdematièreglobalesetdechaqueconstituantdanslesdeuxphases.-Lorsducalculdunombrededegrésdelibertésd'unmélangehomo-ouhétéroazéotropiqueenchangementd'état,ilnefautpasoublierlarelationsupplémentaire(égalitédelacompositionglobaledesphasesliquidesetvapeur.QCMDECOURSPrécisersilespropositionssuivantessontvraiesoufausses,enjustifiantlaréponse:1/Unmélangeparfaitementmiscibleàl'étatliquidededeuxcomposésboutàtempératureconstantesouspressionfixée.2/Lediagrammebinaireliquide/vapeurd'unmélangededeuxconstituantstotalementmisciblesàl'étatliquideprésentetoujoursunseulfuseau.3/Dansundomai nedipha séd'undiagram mebinaire,lacourbed'ébull itionpermetd'accéderàla compositiondelaphaseliquide.4/Danslecasdeliquidesnonmiscibles,leseulpointdudiagrammereprésentantunsystèmepourlequeltouslesparamètresintensifssontfixésestlepointhétéroazéotrope.5/L'applicationduseulthéorèmedesmomentsdansundomainediphaséd'undiagrammebinairepermetd'accéderaurapportdesquantitésdematièredechaqueconstituantdanslesdeuxphases.

TDT5A-Etudedeséquilibresliquide-vapeurdesmélangesbinaires2RPC-LycéeBaimbridge-Décembre2017A.MOMIN6/Ladistillationd'unmélangeàhomoazéotropeàmaximumpermetd'obtenirundesconstituantspursdansledistillat.7/Leprinciped'unehydrodistillationestdeconstituerunmélangebinaireavechétéroazéotropequi,parchauffage,libèreenphasevapeurleconstituantdésirépur.EXERCICESDECOMPETENCESEXERCICE1(**):CONSTRUCTIOND'UNDIAGRAMMEBINAIREISOBAREAPARTIRDESCOURBESD'ANALYSETHERMIQUEL'eau(composé1)etlepentan-1-ol(composé2)formentunmélangenonidéalàl'étatliquide.Lescourbesd'analysethermiquederefroidissementisobare(���=���°)dediversmélangesgazeuxdecesdeuxcomposésontétéreproduitesendernièrepageduTD.Lafractionmassique������estindiquéeentreparenthèsesenhautdechaquecourbe.1/D'aprèslescourbes,prévoirletypedemélangeliquidequeformentl'eauetlepropan-1-ol.2/Tracerlediagrammebinaireliquide-vapeurisobaredecemélangeà���=���°.Légendersoigneusementcediagramme.3/Unequantité������=1,000mold'eauliquideestadditionnée������=0,500moldepentan-1-ol.3.a/Aquelletempératurelemélangebout-il?3.b/Lemélangesestabiliseà105°C.Quelleestlacompositionenmassesdechacunedesdeuxphases?Données:������=18,0gmol3���������=88,2gmol3���EXERCICE2(**):MELANGEEAU/ETHANOATED'ETHYLE(D'APRESCAPES1999)Ci-contre,onareprodui tlediag ramme binaireliquide/vapeurdumélangeeau-éthanoated'éthylesous1,013bar.1/Lesdeuxcomp oséssont-ilsmiscible sàl'étatliquide?Le mélange est-ilidéal ?Et ait-ceprévisible?2/Préciserlanaturedesdifférentsdomainesdudiagramme,ainsiquelenometlasignificationdescourbesyapparaissant.3/Caractériserlemélangedefractionmol airex=66%.Quel leseral'allurede sacourbederefroidissementisobareàpartirde95°C.Justifierparuncalculdevarianceréduitebienchoisi.4/Onconsidère10mold'unmélangedefractionmolairede40%enéthanoated'éthyle.Ilestportéà95°Csouspressionatmosphérique.Quelleseral'alluredesacourb ederefro idissemen tisobare.Préciserlavaleurdelavarianceréduitesurchaqueportiondecourbe.

TDT5A-Etudedeséquilibresliquide-vapeurdesmélangesbinaires3RPC-LycéeBaimbridge-Décembre2017A.MOMIN5/Lorsquecemélangeatteintlatempératurede80°C,donnerlesquantitésdematièresdesdifférentesespècesdanslesphasesenprésence.6/Lorsdeladistillationfractionnéedecemêmemélange,quelletempératurepeut-onmesurerentêtedecolonne?Quelleestlacompositiondudistillatetcelledurésidudedistillation?EXERCICE3(**):MELANGEBINAIREEAU-CYCLOHEXANE(D'APRESCCPPC)Lediagrammebinaireisobaresimplifiédel'équilibreliquide-vapeur,pourlesystèmeeau-cyclohexane,estdonnéci-dessous.OnnoteB1l'eau,etB2lecyclohexane.1/Indiquerlanaturedesphasesenprésencedanschacundesdomainesdudiagramme.Aqueltypedemélangea-t-oniciaffaire?2/QuelestlenomdelacourbeconstituéedesbranchesAHetHB?Quereprésente-t-elle?3/Commentappelle-t-onlepointHsurlediagramme?Combienlesystèmebinairereprésentéparcepoint,quel'ondécrira,possède-t-ildedegrésdeliberté?Interpréterlavaleurtrouvée.4/Tracerl'alluredes courbesd'analysethermique parrefroidi ssement,jusqu'à60°C,dessystè mesphysicochimiquesreprésentésparlespointsM2etM3.Yindiquerlesphasesenprésence.5/Sousquel(s )état(s)physique(s)se trouve11mold'unmélange defractionmolaireglob aleen cyclohexane������=0,30à80°C?Quellessontlesquantitésdematièredesdifférentsconstituantsprésents?

TDT5A-Etudedeséquilibresliquide-vapeurdesmélangesbinaires4RPC-LycéeBaimbridge-Décembre2017A.MOMINEXERCICESDEREFLEXIONEXERCICE4(***):DISTILLATIONFRACTIONNEED'UNMELANGEBINAIRE(CENTRALEPC)Uneopérat ionfréquemmentutiliséelors delapurificationd'unproduitré actionnelestladistillat ionfractionnée.1/Représenterleschémad'unmontageutilisépoureffectuerunedistillationfractionnéesouspressionatmosphérique.2/OnconsidèrelesmélangesidéauxdedeuxcorpsAetBdetempératuresd'ébullitionsousP°égalesà���é9���=80°Cet���é9���=120°C.Po urlesmélange sbinairesA-B,re présenterl'alluredudiagrammebinaireliquide-vapeursousP°,enfonctiondelafractionmolairedeB.3/Soitunmél angeliquid eA-Bsous���°et���=20°Cdefrac tionmolaire���������)=0,50.Ce mélange estintroduitdansleballondudispositifdedistillationfractionnéedécritprécédemment.Pourmodélisertrèssimplementladistillationdumélange,noussupposeronsquelepouvoirséparateur(ouquelenombredeplateaux)delacolonneutiliséeestinfini(lesproduitsparvenantentêtedecolonnesontdoncsupposéspurs)etquenéanmoins,laquantitédematière(liquideetvapeur)contenuedanscettecolonneaucoursdeladistillationestnégligeable.Onnotera������latempératureduliquideprésentdanslebouilleuret������latempératuremesuréeentêtedecolonne.Enjustifiantleraisonnementàl'aidedudiagrammed'ébullitionprécédemmenttracé,représentersurlacopiel'alluredesvariationsde������et������enfonctiondutempsaucoursdeladistillation.Ondistingueraenparticulierclairement:-lapériodeprécédantledébutdel'ébullition;-lapériodeséparantledébutdel'ébullitiondelafindelaséparationdesdeuxcorpsAetB.EXERCICE5(***):ENTRAINEMENTHETEROAZEOTROPIQUELetoluène(composéB1)etl'eau(composéB2)peuventêtreconsidéréscommenonmisciblesàl'étatliquide.Pourchacundecesdeuxcomposés,ondonnelavariationdelapressiondevapeursaturanteenfonctiondelatempératureentre50et120°C:

TDT5A-Etudedeséquilibresliquide-vapeurdesmélangesbinaires6RPC-LycéeBaimbridge-Décembre2017A.MOMIN1/Commentercediagramme.2/Déterminerlacompositionqualitativedessixdomainesnumérotés(nombredephases+composition).3/Oùsesituelacourbederosée?d'ébullition?dedémixtion?4/Commentappelle-t-onlepointG?5/Quepeut-ondiredelasolubilitédel'eaudansl'isobutanol?6/Décrirequalitativement,maisprécisément,lesphénomènesobservéslorsqu'onrefroidit���=1,0mold'unmélangegazeuxdecomposition���H=0,20àpressionconstantede110°Cà85°C.Mêmequestionpour���H=0,60.7/Quelleestlaquantitédematièredesdiversconstituantsdanschacunedesphaseslorsquelatempératurefinaleestatteinte,pourlemélangedecompositionglobale���H=0,20?EXERCICE7(***):DIAGRAMMEBINAIREISOTHERMEPROPANONE-SULFUREDECARBONE(D'APRESENSAIT99)Oncons idèreunmélangebinaireprop anone(1) -sulfuredecarboneCS2(2).A308K,ona mesuré, enfonctiondelacompositiondumélangeliquide,représentéeparlafractionmolairex2l,lespressionspartiellesdesdeuxconstituantsdanslaphasevapeurenéquilibre:x2l00,060,120,200,350,500,720,830,930,961P1(mmHg)344331313290264242207180109730P2(mmHg)0111192272358404448465492501512

TDT5A-Etudedeséquilibresliquide-vapeurdesmélangesbinaires7RPC-LycéeBaimbridge-Décembre2017A.MOMIN1/Apartirdecesdonnées,lediagrammebinaireisothermeaététracé.Indiquerlenombreetlanaturedesphasesprésentesdanslesdomaines1à4.Nommerlescourbes(a)et(b).CommentsenommelepointZ(Pz=658mmHg)?Quellessontlespropriétésd'untelmélange?2/Desdeuxconstituants,lequelpossèdelatempératuredevaporisationlaplusélevée?Donnerl'alluredudiagrammebinaireisobare,pourunepressiontotalede658mmHg.3/A308K,unmélangeliquidepropanone-sulfuredecarbonecommenceàbouillirsous440mmHg.Endéduire:3.a/lacompositiondumélangeliquideetcelledelapremièrevapeurquiapparait.3.b/lacompositiondeladernièregouttedeliquidequidisparait.4/Indiquerlanaturedurés iduetdu distillatobtenuspa rdistilla tionfractionnéesous 658mmHgdemélangesliquidesdecomposition:4.a/������J=0,34.b/������J=0,8