Tp 01 : Détermination de la solubilité mutuelle de deux liquides
I. Introduction
La solubilité est une caractéristique qualitative utilisée pour décrire le comportement d’une espèce chimique vis à vis d’un solvant.
Elle désigne la capacité d’une espèce chimique à se dissoudre ou non dans un solvant.
Dans ce TP on va étudier la solubilité de deux liquides partiellement miscibles dans les unes des autres.
II. L’objectif
Le but de ce TP est l'établissement de la courbe de solubilité mutuelle de deux liquides (Phénol-eau) partiellement miscibles et la détermination de la température critique de solubilité TCS.
III. Partie théorique
La miscibilité
La miscibilité désigne usuellement la capacité de divers liquides à former un mélange homogène (une solution liquide). En minéralogie, la miscibilité désigne la capacité de deux ou plusieurs pôles purs (des minéraux de composition simple) de former des cristaux homogènes de composition intermédiaire (une solution solide). La différence essentielle avec la miscibilité des liquides est qu'on ne peut pas obtenir une solution solide par un mélange mécanique des corps purs, mais seulement par une réaction chimique ou par une cristallisation (à partir d'un liquide ou d'un gaz).L'immiscibilité est la propriété contraire, celle de deux liquides ou de deux solides qui ne peuvent pas former un mélange homogène. En théorie l'immiscibilité n'est jamais complète (chacun des deux partenaires peut dissoudre une petite fraction de l'autre) mais elle peut l'être presque (quand les fractions dissoutes ne peuvent être qu'extrêmement petites).
Deux liquides ou deux solides peuvent être miscibles en toutes proportions à certaines températures et n'être plus que partiellement miscibles ou presque complètement immiscibles à d'autres températures (généralement plus basses que les précédentes).
La condition pour qu'une solution de deux constituants forme une phase stable est réalisée quand les potentiels chimiques des deux constituants dans la solution sont des fonctions croissantes de leurs titres respectifs. L'énergie libre par mole G/n est alors à P et T constants
1
Tp 01 : Détermination de la solubilité mutuelle de deux liquides
plus faible que la somme pondérée par les titres molaires des potentiels chimiques des corps purs.
Variance (V) C’est le nombre de variables indépendantes ou le nombre de degrés de liberté du système en fonction de ses constituants indépendants. Elle est toujours positive ou nulle, pour avoir un sens physique. La variance est définie par la règle des phases (GIBBS) :
- C : nombre de constituants indépendants dans le système.
- φ : nombre de phases distinctes les unes des autres et non miscibles l’une dans l’autre. - Le nombre 2 signifie la variation simultanée de la température et de la pression. Diagrammes de phases et équilibres
Un diagramme de phase, ou diagramme de phases, est une représentation graphique utilisée en thermodynamique, généralement à deux ou trois dimensions, représentant les domaines de l'état physique (ou phase note 1) d'un système (corps pur ou mélange de corps purs), en fonction de variables, choisies pour faciliter la compréhension des phénomènes étudiés.
Les diagrammes les plus simples concernent un corps pur avec pour variables la température et la pression ; les autres variables souvent utilisées sont l'enthalpie, l'entropie, le volume massique, ainsi que la concentration en masse ou en volume d'un des corps purs constituant un mélange.
Lorsque le système étudié est un mélange de n corps purs, son état physique est défini par les (n-1) proportions indépendantes de ses composants, ainsi que par la température et la pression. Ainsi, un diagramme à deux variables ne peut donc être établi qu'en fixant (n-1) variables du système. C'est un diagramme associé à un équilibre qui ne permet pas de décrire un système dans un état métastable comme l'eau liquide à une température inférieure à 0 °C sous la pression atmosphérique normale (surfusion).
IV. Matériels et Produits
Phénol cristallisé
Eau distillée
Barre magnétique
Agitateur magnétiqu
Balance électrique
Erlenmeyers .
Becher.
Barreaux magnétiques
Une burette graduée,
Chauffages
V.Mode opératoire
Principe :
Les étapes pour déterminer expérimentalement la courbe de solubilité :
Préparer une solution riche en Phénol de concentration (on a pesé 64 g de phénol cristallisé et le poser dans un bécher).
Ajouter doucement de l’eau distillé et en utilisant un barreau magnétique pour mélanger bien les constituants jusqu’au l’apparition de tous les cristaux de phénol, en fin le volume finale est 80 ml.
Un volume initial V0 de solution riche en phénol est présent dans les tubes.
Réguler le chauffage à une température proche de T1, ainsi que l’agitateur magnétique au moyen des boutons sur la plaque chauffante.
Une fois la température stabilisée, rajouter lentement de l’eau (quelques gouttes /sec) en contrôlant la transparence de la solution et l’efficacité de l’agitation
L’écoulement doit être suffisamment lent pour que la température de la solution ne soit pas substantiellement modifiée. Utiliser une seringue et la petite vanne sur le tube.
Dès que vous observer la transition transparent-opaque (opalescence critique), arrêter l’écoulement d’eau. Noter le volume d’eau rajoutée.
Rajouter à nouveau lentement de l’eau pure, jusqu’à la transition opaque transparent. Noter la quantité d’eau rajoutée.
Collecter vos résultats et ceux obtenus par les autres partenaires de votre groupe dans un tableau de mesures.
VI. Réponse des questions
1- Le tableau des mesures :
2- calcul les fractions massiques aux transitions ( ) :
On préparé la solution mère qui contient :
La relation de la fraction massique est donnée par:
La masse d’eau en gramme = le volume d’eau en ml
La masse de phénol
La masse d’eau initiale ;
Exemple : à T1=30 °C
On a :
3- Le traçage de la courbe de démixtion T= f (w):
70
60
T = f(w)
50
40
30
20
10
0
0 0,2 0,4 0,6 0,8
Figure 01 : Diagramme de démixtion de phenol-eau
trouve la température critique
4- La variation de TCS :
L’augmentation de la température a pour effet d’augmenter la solubilité réciproque de chacun des deux constituants.
Entre ces deux limites un mélange eau-phénol se sépare en deux phases : un phase aqueuse riche en phénol et une phase Phénolique riche en eau. On observe donc une zone de non miscibilité encore appelée lacune de miscibilité.
On atteint éventuellement une température où la solubilité réciproque devient totale. C’est ce que l’on appelle la température critique de la solution qui correspond la température critique de dissolution supérieure d’une valeur de 336 K.
5- On peut pas avoir démixtion dans les solutions idéales parce que les interactions entre les constituants sont des mêmes nature :
En plus les solutions idéales ne présentent aucunes déviations positives par rapport à l’idéalité et le trace de T en fonction des titres sera comme suite :
6- On a :
5
S’on applique la température critique, on va avoir une valeur de potentiel nul car à cette température les deux phases en équilibre sont identiques c.-à-d. que leur potentiel chimique est le même.
VII. Conclusion
Les diagrammes de phase de données de forme essentielle pour l'étude des systèmes binaires thermiques dynamiques, en fait, permettent la valeur de la température critique de déterminer la plage de températures dans laquelle il est capable d'un mélange de phénol complètement dans l'eau sur toute la gamme de mise au point (x = 0-1).
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