Exemple d’utilisation d’animations dynamiques dans un diaporama powerpoint ® ou Impress

1. Exemple d’utilisation d’animations dynamiques dans un diaporama powerpoint ® ou Impress Construction, lecture et utilisation d’un diagramme binaire en chimie (spé PC, MP, PSI, PT). Barbara Delattre, Chimie, PC* Lycée Pasteur, Neuilly/Seine.

2. Diagrammes binaires: diagrammes indiquant les états physiques sous lesquels on retrouve deux constituants chimiques dans les différents domaines de composition, de température et/ou de pression.   • L’idée:l’exposé aux MIEC-JIREC 2005 du professeur Ali Atbir (Laboratoire de Chimie Minérale Appliquée et Génie des Procédés, Faculté des Sciences d’ Agadir ) • Diapositives extraites d’un cours de chimie de spé PC* d’environ 5 heures.

3. De nombreux paramètres varient simultanément → Les étudiants ont souvent du mal à construire, lire et utiliser les diagrammes binaires. • But de l’exposé: montrer l’intérêt pédagogique de l’utilisation d’un outil très simple d’utilisation: les animations dynamiques qui permettent par exemple de déplacer simultanément un point représentatif du système sur différentes courbes.

4. Variables et notation utilisées: • T: température • P: pression • Mélange binaire de deux constituants chimiques A1 et A2. • x fraction molaire, pourcentage en moles. • x1: fraction molaire globale de A1 dans l’ensemble des phases • x1v: fraction molaire du constituant A1 dans la phase vapeur • ω fraction massique, pourcentage en masse. • ω2: fraction massique globale de A2 dans l’ensemble des phases • ω 2s: fraction massique du constituant A2 dans la phase solide

5. La variance indique le nombre de degrés de liberté d’un système physicochimique . C’est le nombre de paramètres intensifs indépendants que l’on peut faire varier sans rompre l’équilibre physicochimique du système. • Théorème de Gibbs, ou règle des phases de Gibbs   • V = 3 – φ pour un corps pur • Et en l’absence de réaction chimique • V = 4 – φ pour un mélange binaire.

6. Courbe d’analyse thermique isobare d’un corps pur P T P = 1 bar C Solide M Vapeur,v = 2 liquide Liquide = vapeur, v = 1 Teb Liquide, v = 2 P = 1 bar M Solide=liquide, v = 1 Tfus t Solide, v = 2 vapeur Retard possible au changement d’état Teb Tfus temps T Variance = 3 - φ Paliers lors des changements d’état

7. Courbes d’analyse thermique d’un mélange binaire Cd-Bi Refroidissement du cadmium liquide pur M Refroidissement du mélange liquide homogène, x(Bi) = 0,30 θ (°C) Apparition des 1ers cristaux de Cd M’ Apparition des 1ers cristaux de Cd 320 Disparition de la dernière goutte de liquide Apparition des 1ers cristaux de Bi 200 Refroidissement du cadmium solide pur Disparition de la dernière goutte de liquide 145 Cristallisation simultanée des deux solides Cd et Bi non miscibles temps

8. Cas d’un mélange liquide réel avec liquides miscibles x2 = 0 T T x2 = 0,3 x2 = 0,7 T (K) x2 = 1 t (s) 1 0 COURBES ANALYSE THERMIQUE Diagramme isobare P = constante VAPEUR L = V LIQUIDE x2

9. Signification des courbes frontières T T 0 1 Vapeur Courbe de rosée Courbe d’ébullition Liquide x2 courbe d'ébullition : Cette courbe est la séparation entre le liquide et le mélange liquide -vapeur. courbe de rosée : Cette courbe est la séparation entre la vapeur et le mélange liquide-vapeur

10. Autre signification des courbes frontières: A l’intérieur du fuseau comme v = 2, à T donnée pour P fixée la composition du système est fixée (x1v et x1l). T Vapeur P fixée Vapeur= Liquide M M = A M = B Liquide x1 x1 x1 = x1v x1 = x1l Règle de l’horizontale Les compositions des phases liquide et vapeur sont données par les abscisses des points d’intersection de l’horizontale correspondant à T donnée avec les deux courbes frontières.

11. Signification des courbes frontières T T 0 1 Vapeur Courbe de rosée T = f(x2v) Courbe d’ébullition T = f(x2l) Liquide x2 x2v x2l

12. M 5 Étudions par exemple la compression isotherme d’un mélange binaire gazeux (A1, A2) • De M0 à M1, le système reste monophasé et la composition du système n’évolue pas. • En M1, la première goutte de liquide apparaît. Sa composition est donnée par l’abscisse de M2, la composition de la vapeur étant donnée par l’abscisse de M1. • De M1 à M4, on poursuit la compression. système diphasé. La composition de la phase gazeuse évolue avec l’abscisse des points de M2 à M4, celle de la phase liquide avec l’abscisse des points M1 à M3. Au cours de cette compression, la quantité de liquide augmente au détriment de la quantité de gaz (théorème des moments chimiques), le liquide et la vapeur s’enrichissent en A1, composé le plus volatil; • En M4, il reste une bulle de vapeur, sa composition est donnée par l’abscisse du point M3. La composition de la phase liquide est donnée par l’abscisse du point M4. • De M4 à M5, le système est monophasé, liquide. Sa composition n’évolue plus, le point représentatif du système se déplaçant sur la verticale de l’abscisse initial. Cette composition est la même que celle de la vapeur initiale. P T fixée P P * A1 LIQUIDE V = 2 M4 M3 Liq=Vap V = 1 M2 PA2* M1 VAPEUR V = 2 Mo x A1 x1l x1v 0 1

13. Quelle que soit la composition du mélange liquide de départ, la première bulle de vapeur a toujours pour composition xHv. Et tant que les deux liquides sont présents, la vapeur a cette composition. disparition de la dernière goutte de A2 T(°C) P fixée T Vapeur Composition de La vapeur entraînée H disparition de la dernière goutte de A1 A1l + A2l non miscibles M Apparition de la première bulle de vapeur x2 x2v 0 Evolution de la composition globale en x2 dans l’ensembles des 2 phases liquides temps

14. Application: distillation fractionnée thermomètre réfrigérant T vers l’évier arrivée d’eau froide colonne à distiller de Vigreux récipients collecteurs mélange à distiller pierre ponce ou carborundum chauffe ballon

15. Visualisation des plateaux théoriques : colonnes à plateaux 0 1 xB x2l x3l x1l x4l x5l Vapeur ascendante Liquide descendant M x5v x5l T5 T4 x4v x4l T3 x3l x3v LIQUIDE x2l T2 x2v x1v T1 VAPEUR T x1l x2v x3v x1v x4v x5v CHAUFFAGE T

16. Application:Mélange H2O-NaCl Courbes d’analyse thermique pour un mélange binaire eau-sel. Fraction massique en NaCl. Centrale-Supélec Chimie, PC, 1999.

17. Application:Mélange H2O-NaClP = P atmosphérique T Liquide L GLACE ORDINAIRE A – 11°C 0°C m glace = 9,17 kg or ωNaCl min= 0,15 m NaCl = 1,62 kg de sel 1 cm 1 m2 -11°C µ = 917 kg.m-3 V = 0,01 m3 Glace + L E -21,6°C Glace + sel: solides non miscibles ωNaCl 0,15 0,23 Si on ajoute du sel à la glace dans des conditions isothermes à Text et si Text>TE, si la teneur en sel est suffisante, la glace fond.

18. Utilisation de glycol comme antigel - 10 °C Liquide CCP, 2007, Chimie1, PC Eau solide + Liquide ω = 23,6 % Pour qu’un mélange antigel ne gèle pas à – 10 °C, il faut ajouter au moins 310 g de glycol à 1 litre d’eau.

19. Application: conditions adiabatiques Mélange réfrigérant eau-NaClP = P atm Liquide L: Solution aqueuse de NaCl T 0°C Glace + L -21,6°C Glace + sel: solides non miscibles ωNaCl 0,23 Equilibre eau-glace à 0°C Ajout de NaCl Le sel se dissout dans l’eau Equilibre Glace pure et eau/NaCl liquide La température diminue

20. Conclusion Outil simple d’utilisation qui permet, associé à des expériences de cours, de rendre son cours interactif.