D éfinition P ropriétés

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Chapitre 1 : Les états physiques de la matière
La transformation chimique revêt une importance particulière, en raison de l'étendue de son champ
d'application : élaboration de nouveaux matériaux, utilisation de l'énergie libérée par la réorganisation,
ouverture vers de nouveaux solvants...
L'eau est la molécule la plus facile à appréhender à notre échelle dans ces différents états : gaz, liquide et
solide mais existe-t-il d'autres formes pour la matière ? Quels paramètres conditionnent le passage d'une
forme à une autre ?
I- Les différents états de la matières :
1- Présentation :
Les différents états de la matière se distinguent par :
• l'intensité des interactions entre les particules
• la régularité dans la disposition des particules
Vocabulaire : On appelle phase une forme de la matière qui est uniforme en tout point par sa composition
chimique et par son état physique.
….............................
Propriétés
Définition
….........................
1
….........................
….......................
Il existe une multitude d'états de la matière, intermédiaires entre structures ordonnées et structures
désordonnées.
→ solides polycristallins (ensemble de cristaux désorganisés constitués de particules organisées)
→ solides semis-cristallins (polymère à longue chaîne cristallisé)
→ les cristaux ioniques (une certaine liberté de mouvement tout en restant ordonné).
Solide polycristallin
Solide semi-cristallin
Cristaux ioniques
2- Les paramètres pour décrire l'état de la matière :
a) Paramètre intensif ou extensif ?
Paramètre intensif : paramètre local défini en tout point de l'espace, il est non additif et de dépend pas
de la quantité de matière contenue dans le système.
Exemple :
Paramètre extensif : paramètre proportionnel à la quantité de matière contenue dans le système, il est
additif, il décrit le système dans son ensemble et n'a pas de sens au niveau local. Si on multiplie la taille
du système par 2 et que le paramètre a doublé alors le paramètre est extensif.
Exemple :
b) Notion de pression :
● Pression d'un gaz :
La pression d'un gaz exercée par un gaz sur une surface provient des collisions de ses molécules.
● Le modèle du gaz parfait :
Un gaz parfait est constitué de particules identiques, ponctuelles et sans interactions entre elles. Il vérifie
l'équation d'état suivante :
En pratique en chimie, on considérera dans les exercices que tous les gaz sont parfaits à T et P ambiantes.
Défi : à l'aide d'une analyse dimensionnelle, déterminer l'unité de R constante des gaz parfait.
Exercice d'application : On considère une enceinte de volume V=10L à la température Θ=25°C qui
contient une quantité de matière n=0,5mol de diazote N2 gaz. Déterminer la pression dans l'enceinte.
2
II- Changements d'états de la matière :
Suivi des paramètres pression et température lors des expériences de changements d'état :
Changement d'état à pression constante
Changement d'état à température constante
→ Que pouvez-vous dire de l'évolution de la température lorsqu'un changement d'état se fait à pression
fixée ? Même question pour la pression lorsque la température est fixée.
Vocabulaire : Pression de vapeur saturante : pression d'un phase vapeur en équilibre avec la phase
liquide ou pression du gaz lors du changement d'état liquide-gaz.
III- Diagramme d'état :
Comme l'état de la matière dépend de 2 paramètres qui ne sont pas indépendants, on représente l'influence
de ces 2 paramètres sur un graphique que l'on appelle diagramme P,T.
3
1- Présentation générale :
Les frontières indiquent les conditions de température et de pression pour que les deux phases coexistent.
Elles transcrivent bien le fait que pour une pression donnée, une seule température est permise lors du
changement d'état.
2- Le diagramme de l'eau :
a- Quelle est la différence majeure entre le diagramme général et celui de l'eau, qui fait de l'eau un cas
particulier ?
b- Pourquoi est-il difficile de faire cuire des pâtes au sommet du mont blanc ?
c- Pour quelles conditions obtient-on de l'eau supercritique ?
4
3- Le diagramme du dioxyde de carbone :
Activité documentaire : le CO2 un fluide supercritique.
Travail à effectuer
1) Compléter le document 2 en donnant le nom de l’état physique dans chacune des quatre zones 1, 2, 3 et
4 puis donner les particularités des points b et c.
2) Le CO2 peut-il exister à l'état liquide sous pression atmosphérique ? Que se passe-t-il si l'on expose du
CO2 solide à l'air libre ?
3) Si on augmente la pression, comment varie la température de fusion du CO2 ?
4) Quel est l’état physique du dioxyde de carbone à 40 °C sous 800 bar (On rappelle que T(K) = T
(°C) + 273 et P(bar) = 10-5×P(Pa)) ? Comment revenir à l’état gazeux ?
5) Proposer des conditions expérimentales d’utilisation du CO2 supercritique pour réaliser une
extraction efficace d’espèces chimiques. On prendra l’exemple de l’extraction du naphtalène pour
argumenter la réponse.
6) Justifier que le solvant CO2 supercritique réponde au cahier des charges d’une Chimie verte.
Document 1 : Fluides supercritiques
Lorsqu’un fluide est placé dans des conditions de température et de pression supérieures au point critique,
il entre dans un état dit supercritique. C’est un état qui n’existe pas dans la nature : il faut placer le fluide
dans ces conditions de température et de pression pour qu’il apparaisse. Les changements d’état
gaz/fluide supercritique et liquide/fluide supercritique se font de manière continue. Les fluides
supercritiques ont des propriétés différentes de celles d’un gaz ou d’un liquide mais qui sont comprises
entre les deux. Ils ont une viscosité proche de celle d’un gaz, une densité proche de celle du liquide avec
un pouvoir de diffusivité très élevé par rapport au fluide liquide. Ce qui facilite leur pénétration dans des
milieux poreux.
Le choix du fluide supercritique est lié à ses propriétés notamment ses coordonnées critiques qui doivent
permettre son emploi à une température voisine de l’ambiante et à des pressions « acceptables »; il doit
être bon marché, abondant et non toxique. Ce sera alors un solvant de choix pour les applications dans les
industries alimentaires, pharmaceutiques, cosmétologiques..., où l’extraction et le fractionnement doivent
être conduits à des températures aussi voisines que possible de l’ambiante afin d’éviter toute dégradation
thermique et exigeant l’élimination de toute trace de solvant « chimique » dont l’innocuité est toujours
sujette à caution.
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Document 2 : Diagramme de phases du CO2 :
Document 3 : Expérience de changement d'état :
Vidéo : CO2 liquide chauffé sous pression qui atteint son point critique et devient du CO2 supercritique
http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=GEr3NxsPTOA#!
Document 4 : Solubilité du naphtalène dans le CO2 supercritique
Les fluides supercritiques sont des solvants « à géométrie variable » : excellents solvants dans les
conditions supercritiques, très mauvais solvants à l’état de gaz comprimés. Ainsi on peut citer, à titre
d’exemple, la solubilité du naphtalène dans le CO2, qui varie considérablement avec la masse volumique
du fluide, c’est-à-dire, à température constante, avec sa pression comme présenté sur la figure 3.
Document 5 : Le CO2 supercritique (sc-CO2), un solvant alternatif vert
Le CO2 supercritique est un solvant non polaire et non donneur de liaisons Hydrogène. A noter également
que sc-CO2 peut interagir avec le soluté, notamment comme acide de Lewis. C’est un bon solvant pour
des solutés non polaires de petite masse moléculaire ainsi que les gaz mais un mauvais solvant pour la
plupart des autres solutés. Son utilisation est donc limitée au niveau industriel à des procédés où son
comportement est vraiment avantageux, puisqu’il faut contrebalancer le surcoût financier et énergétique
de l’opération à haute pression.
La plus grande application est sans doute l’industrie de l’alimentaire où sc-CO 2 est utilisé comme solvant
d’extraction.
- Il sert entre autres à la décaféination du café : l’utilisation de sc-CO 2 remplace un processus mettant en
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jeu du dichlorométhane, non seulement dangereux pour l’environnement et la santé mais qui nécessite
aussi des étapes de synthèse supplémentaires. Le dioxyde de carbone est lui, non toxique et « naturel ».
- Il sert également à l'élimination de la 2,4,6-trichloroanisole (TCA) des bouchons de liège traités au
chlore (ou à l'hypochlorite) pour éviter de donner « un goût de bouchon » au vin après sa mise en
bouteille.
Le sc-CO2 est aussi un solvant utilisé dans le cadre de réactions de polymérisation : il intervient dans la
fabrication du Téflon (ou polytetrafluoroethene, PTFE) par DuPont. Dans ce procédé, il sert à manipuler
le monomère en toute sécurité et à empêcher les risques d’explosion liés à la formation de peroxyde en
présence d’oxygène. Il remplace un mode opératoire plus ancien basé sur l’eau. C’est un exemple qui
montre que même si un procédé établi est vert (utilisation de l'eau en première intention), la recherche ne
s’arrête pas là. Le procédé utilisant sc-CO 2 produit moins de déchets et propose un produit de meilleure
qualité alors que la polymérisation par émulsion d’eau utilise un dérivé d’acide perfluorooctanoique (qui
fut lui-même le remplaçant vert d’un procédé encore plus ancien utilisant des solvants
chlorofluorocarbones, aujourd’hui interdits).
Document 6 : Les douze principes de la Chimie verte
Le concept de « Chimie verte » a été introduit en 1998 par les chimistes américains Paul Anastas et John
C. Warner, appartenant à l'EPA (Environmental Protection Agency).
1. La prévention de la pollution à la source en évitant la production de résidus.
2. L’économie d'atomes et d’étapes qui permet de réaliser, à moindre coût, l’incorporation de
fonctionnalités dans les produits recherchés tout en limitant les problèmes de séparation et de purification.
3. La conception de synthèses moins dangereuses grâce à l’utilisation de conditions douces et la
préparation de produits peu ou pas toxiques pour l’homme et l'environnement.
4. La conception de produits chimiques moins toxiques avec la mise au point de molécules plus sélectives
et non toxiques impliquant des progrès dans les domaines de la formulation et de la vectorisation des
principes actifs et des études toxicologiques à l’échelle cellulaire et au niveau de l’organisme.
5. La recherche d’alternatives aux solvants polluants et aux auxiliaires de synthèse.
6. La limitation des dépenses énergétiques avec la mise au point de nouveaux matériaux pour le stockage
de l’énergie et la recherche de nouvelles sources d’énergie à faible teneur en carbone.
7. L'utilisation de ressources renouvelables à la place des produits fossiles.
8. La réduction du nombre de dérivés en minimisant l'utilisation de groupes protecteurs ou auxiliaires.
9. L’utilisation des procédés catalytiques de préférence aux procédés stoechiométriques avec la recherche
de nouveaux réactifs plus efficaces et minimisant les risques en terme de manipulation et de toxicité. La
modélisation des mécanismes par les méthodes de la chimie théorique doit permettre d’identifier les
systèmes les plus efficaces à mettre en œuvre (incluant de nouveaux catalyseurs chimiques, enzymatiques
et/ou microbiologiques).
10. La conception des produits en vue de leur dégradation finale dans des conditions naturelles ou forcées
de manière à minimiser l’incidence sur l’environnement.
11. La mise au point des méthodologies d'analyses en temps réel pour prévenir la pollution, en contrôlant
le suivi des réactions chimiques. Le maintien de la qualité de l'environnement implique une capacité à
détecter et si possible à quantifier, la présence d'agents chimiques et biologiques réputés toxiques à l’état
de traces (échantillonnage, traitement et séparation, détection, quantification).
12. Le développement d’une chimie fondamentalement plus sûre pour prévenir les accidents, explosions,
incendies et émissions de composés dangereux.
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Capacités à maîtriser à l'issue de ce chapitre :
- Déterminer l'état physique d'une espèce chimique pour des conditions expérimentales données de P et T.
- Savoir décrire les différents états de la matière.
- Maîtriser l'équation d'état des gaz parfaits.
TD : Chapitre 1 : Les états de la matière
Exercice 1 : Densité du méthane :
1- Exprimer la masse volumique ρ d'un gaz parfait en fonction de sa masse molaire.
2- En déduire l'expression de la densité d'un gaz parfait en fonction de sa masse molaire et de la masse
molaire de l'air Mair.
Rappel : la densité d'un gaz est la rapport entre la masse volumique ρ de ce gaz et la masse volumique de
l'air ρair dans les mêmes conditions de température et de pression.
3- Sachant que l'air est composé d'environ 80% de diazote et 20% de dioxygène, déterminer la masse
4- En déduire la densité du méthane CH4 considéré comme un gaz parfait.
Exercice 2 : Physico-chimie du patin à glace :
la qualité de glisse d'un patineur dépendrait d'une fine couche
d'eau liquide sous les patins...
L'allure du diagramme d'état de l'eau est la suivante :
Un patineur de 70kg fait du patin à glace sur une surface d'eau
gelée à -5C° et à la pression atmosphérique. La lame de chaque
patin a une surface de contact au sol de 3,5mmx22cm.
1- Expliquer pourquoi le patineur glisse sur la glace.
2- Expliquer pourquoi le même patineur glisserait beaucoup
moins s'il portait des chaussures.
Donnée : intensité du champ de pesanteur : g=10m.s-2.
Exercice 3 : Bouteille de butane
Une bouteille de gaz pour usage domestique contient 13,0kg de butane C4H10 partiellement liquéfié. La
bouteille a un volume interne V=30,6L.
1- Vérifier qu'à 25°C le butane dans la bouteille est partiellement liquéfié, c'est à dire qu'il n'est ni
complètement gazeux ni complètement liquide. Dans ces conditions, donner la valeur de la pression à
l'intérieur de la bouteille.
2- Déterminer quel serait le volume de l'enceinte nécessaire pour contenir le butane à l'état gazeux dans
les mêmes conditions de température et de pression. En déduire un premier avantage au fait de conserver
le butane sous forme partiellement liquéfiée.
3- On ouvre légèrement le robinet de la bouteille afin de laisser sortir le butane gazeux pour l'utiliser.
Déterminer qualitativement l'évolution de la pression dans la bouteille au cours de l'utilisation du gaz. En
déduire un deuxième avantage au fait de conserver le butane sous forme partiellement liquéfiée.
4- Les distributeurs de gaz vendent également des bouteilles qui contiennent 13kg de propane C 3H9
partiellement liquéfié. Expliquer quelle est la différence majeure entre les bouteilles de propane et de
butane en termes de température d'utilisation.
Données :
Masse volumique du butane liquide à 25°C : ρ=590kg.m-3
Pression de vapeur saturante du butane à 25°C : PV=2,5bar
Températures d'ébullition à P=1atm : Teb,butane=-0,5°C, Teb,propane=- 42°C
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CORRECTION : Chapitre 1 : Les états physiques de la matière
La transformation chimique revêt une importance particulière, en raison de l'étendue de son champ
d'application : élaboration de nouveaux matériaux, utilisation de l'énergie libérée par la réorganisation,
ouverture vers de nouveaux solvants...
L'eau est la molécule la plus facile à appréhender à notre échelle dans ces différents états : gaz, liquide et
solide mais existe-t-il d'autres formes pour la matière ? Quels paramètres conditionnent le passage d'une
forme à une autre ?
I- Les différents états de la matières :
1- Présentation :
Les différents états de la matière se distinguent par :
• l'intensité des interactions entre les particules
• la régularité dans la disposition des particules
Propriétés
Définition
Vocabulaire :
On appelle phase une forme de la matière qui est uniforme en tout point par sa composition chimique et
par son état physique.
….........................
….............................
….........................
….......................
Un
gaz
est
une
substance fluide qui
occupe uniformément
tout contenant. Les
particules
sont
quasiment
indépendantes les unes
des autres.
Un liquide est constitué
d'un
ensemble
de
particules reliées les unes
aux autres mais disposées
de manière irrégulière.
Ensemble
de
particules reliées
les unes aux autres
et disposées de
manière
irrégulière.
L'arrangement est les
particules est bien défini,
un motif se répète à
l'identique dans tout le
cristal.
facilement
compressible
- interactions entre les
particules très faibles
- état de la matière le
plus désordonné
- tous les constituants
sont miscibles à l'état
gazeux : il ne forme
qu'une seule phase.
- Interactions entre les Interactions
particules :
faible
à fortes
moyenne
- Faible régularité
- Régularité dans la de disposition
disposition
des très
peu
particules : faible
déformable
- déformable
très
peu
- Peu compressible
compressible
9
Indéformable
Incompressible
Un même corps simple
peut donner naissance à
plusieurs
structures
cristallines
différentes
qu'on appelle variétés
allotropiques.
Exemple :
Carbone
graphite et diamant.
Il existe une multitude d'états de la matière, intermédiaires entre structures ordonnées et structures
désordonnées.
→ solides polycristallins (ensemble de cristaux désorganisés constitués de particules organisées)
→ solides semis-cristallins (polymère à longue chaîne cristallisé)
→ les cristaux ioniques (une certaine liberté de mouvement tout en restant ordonné).
Solide polycristallin
Solide semi-cristallin
Cristaux ioniques
2- Les paramètres pour décrire l'état de la matière :
a) Paramètre intensif ou extensif ?
Paramètre intensif : paramètre local défini en tout point de l'espace, il est non additif et de dépend pas
de la quantité de matière contenue dans le système.
Exemple : température, pression, indice de réfraction, densité...
Paramètre extensif : paramètre proportionnel à la quantité de matière contenue dans le système, il est
additif, il décrit le système dans son ensemble et n'a pas de sens au niveau local. Si on multiplie la taille
du système par 2 et que le paramètre a doublé alors le paramètre est extensif.
Ex : quantité de matière,masse, volume...
b) Notion de pression :
● Pression d'un gaz :
La pression d'un gaz exercée par un gaz sur une surface provient des collisions de ses molécules.
La pression P est le rapport de la force F exercée par le gaz à la surface S sur laquelle est s'exerce :
F
S
Remarque : Cette formule permet de calculer la pression dans tous les cas, même lorsque la situation ne
concerne pas des gaz.
P=
● Le modèle du gaz parfait :
Un gaz parfait est constitué de particules identiques, ponctuelles et sans interactions entre elles. Il vérifie
l'équation d'état suivante :
PV = nRT
P : pression en Pa
n : quantité de matière en mol
V : volume en m3
R= 8,314 SI constante des gaz parfait
T : température en K ( T = Θ + 273K avec Θ température en ° celsius)
En pratique en chimie, on considérera dans les exercices que tous les gaz sont parfaits à T et P ambiantes.
Défi : à l'aide d'une analyse dimensionnelle, déterminer l'unité de R constante des gaz parfait.
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PV
nT
en terme d'unité :
Pa×m3
R→
mol× K
R=
Or la pression est homogène à une force divisée par une surface : unité : Pa → N.m−2
or les Newtons (force) sont homogène d'après la 2ème loi de Newton à une masse multipliée par une
accélération : N → kg.m.s−2
Résumons ! Pa → kg.m.s−2. m−2 → kg.m−1. s−2
kg.m−1. s −2×m 3
→
mol ×K
Donc l'unité de la constante des gaz parfait est :
kg.m2. s−2
mol×K
1
2
Remarque : kg.m2 . s−2 est homogène à l'unité de l'énergie ( E c = m v par exemple) donc l'unité de
2
la constante des gaz parfait est J.mol −1 . K −1 c'est l'unité usuellement utilisée
Exercice d'application : On considère une enceinte de volume V=10L à la température Θ=25°C qui
contient une quantité de matière n=0,5mol de diazote N2 gaz. Déterminer la pression dans l'enceinte.
P=
nRT
V
Il faut faire attention aux unités !
P=
0,5×8,314×298
=123878 Pa=1,2 bar
−3
10.10
II- Changements d'états de la matière :
Suivi des paramètres pression et température lors des expériences de changements d'état :
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Changement d'état à pression constante
Changement d'état à température constante
→ Que pouvez-vous dire de l'évolution de la température lorsqu'un changement d'état se fait à pression
fixée ? Même question pour la pression lorsque la température est fixée.
→ A P constant, la glace fond à température constante
→ A T constante, l'éther se vaporise à pression constante.
Vocabulaire : Pression de vapeur saturante : pression d'un phase vapeur en équilibre avec la phase
liquide ou pression du gaz lors du changement d'état liquide-gaz.
III- Diagramme d'état :
Comme l'état de la matière dépend de 2 paramètres qui ne sont pas indépendants, on représente l'influence
de ces 2 paramètres sur un graphique que l'on appelle diagramme P,T.
1- Présentation générale :
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Les frontières indiquent les conditions de température et de pression pour que les deux phases coexistent.
Elles transcrivent bien le fait que pour une pression donnée, une seule température est permise lors du
changement d'état.
Point triple : conditions bien particulières pour lesquelles les 3 phases coexistent.
Point critique : au delà, la phase gaz se confond avec la phase liquide, la phase est uniforme : on parle de
fluide supercritique. Le fluide supercritique est une phase quasiment aussi dense qu'un liquide mais qui
possède des propriétés de transport (viscosité, diffusion) proche de celles d'un gaz.
2- Le diagramme de l'eau :
a- Quelle est la différence majeure entre le diagramme général et celui de l'eau, qui fait de l'eau un cas
particulier ? La pente de la courbe de la température de fusion est négative. Si la pression augmente, la
température de fusion diminue. C'est un comportement quasi unique, lié au fait que la glace est plus
volumineuse que l'eau : quand on augmente P, il est plus favorable pour le solide de se transformer en
liquide.
13
b- Pourquoi est-il difficile de faire cuire des pâtes au sommet du mont blanc ? P est plus faible, d'après le
graphe la température d'ébullition baisse. Donc lorsque l'eau bout dans la casserole elle n'est pas à 100°C
mais à 90°C par exemple.
c- Pour quelles conditions obtient-on de l'eau supercritique ?
647,2K et 221,0bar ce sont des conditions difficiles à atteindre.
3- Le diagramme du dioxyde de carbone :
→ Activité : le CO2 un fluide supercritique.
Travail à effectuer
1) Compléter le document 2 en donnant le nom de l’état physique dans chacune des quatre zones 1, 2, 3 et
4 puis donner les particularités des points b et c.
1 → Solide
2 → liquide
3 → Gaz
4 → fluide supercritique
b → point critique
c → point triple
2) Le CO2 peut-il exister à l'état liquide sous pression atmosphérique ? Que se passe-t-il si l'on expose du
CO2 solide à l'air libre ?
D'après le diagramme, à 1bar le CO2 ne peut être que gazeux ou solide. Si on met du CO2 solide à l'air
libre il se sublimera.
3) Si on augmente la pression, comment varie la température de fusion du CO2 ?
La courbe entre 1 et 2 correspond au passage solide-liquide, donc elle correspond à la température de
fusion. Sa pente est positive , ce qui signifie que si la pression augmente, la température de fusion
augmente.
4) Quel est l’état physique du dioxyde de carbone à 40 °C sous 800 bar (On rappelle que T(K) = T
(°C) + 273 et P(bar) = 10-5×P(Pa)) ? Comment revenir à l’état gazeux ?
Il est à l'état de fluide supercritique. Il faudrait diminuer la pression à température constante pour revenir
à l'état gazeux.
5) Proposer des conditions expérimentales d’utilisation du CO2 supercritique pour réaliser une
extraction efficace d’espèces chimiques. On prendra l’exemple de l’extraction du naphtalène pour
argumenter la réponse.
Dans l'idéal il faut se mettre à 55° et la masse volumique de CO2 doit être de 800kg.m -3 pour avoir une
extraction maximale d'après le figure 3.
Quelle pression choisir pour avoir cette masse volumique ?
m n×M
n
P
ρ= =
=
or d'après la loi des gaz parfait :
V
V
V (RT )
d'où ρ=
AN :
P× M
R×T
P=
soit
P=
ρ× R×T
M
800×8,314×(273+55)
7
=4,96.10 Pa
−3
44.10
soit 496 bar
14
6) Justifier que le solvant CO2 supercritique réponde au cahier des charges d’une Chimie verte.
→ C'est un solvant « naturel », accessible à faible température donc qui a un faible coût énergétique.
→ Remplace des solvants toxiques (dichlorométhane par exemple)
→ Procédés qui limitent le risque d'explosion
→ Procédés avec moins de produits secondaires et moins d'étapes
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TD : Chapitre 1 : Les états de la matière
Exercice 1 : Densité du méthane :
1- Exprimer la masse volumique ρ d'un gaz parfait en fonction de sa masse molaire.
m
m
RT
PV = nRT or n=
d'où PV =
M
M GP
m P M GP
soit la masse volumique : ρ= =
V
RT
2- En déduire l'expression de la densité d'un gaz parfait en fonction de sa masse molaire et de la masse
Rappel : la densité d'un gaz est la rapport entre la masse volumique ρ de ce gaz et la masse volumique de
l'air ρair dans les mêmes conditions de température et de pression.
P M air
RT
ρ
M
soit d = GP ρair = GP
M air
3- Sachant que l'air est composé d'environ 80% de diazote et 20% de dioxygène, déterminer la masse
ρ air =
Mair = 0,8 M(N2) + 0,2 M(O2)=0,8 x (2x14,0) + 0,2x(2x16,0)=28,8g/mol
4- En déduire la densité du méthane CH4 considéré comme un gaz parfait.
M(CH4)= 12,0 + 4x1,0 =16,0 g/mol
16,0
d CH4 =
=0,556
28,8
Exercice 2 : Physico-chimie du patin à glace : la qualité de glisse d'un patineur dépendrait d'une fine
couche d'eau liquide sous les patins...
L'allure du diagramme d'état de l'eau est la suivante :
Un patineur de 70kg fait du patin à glace sur une surface d'eau gelée à -5C° et à la pression
atmosphérique. La lame de chaque patin a une surface de contact au sol de 3,5mmx22cm.
1- Expliquer pourquoi le patineur glisse sur la glace.
F
Il faut d'abord déterminer la pression sous le patin en utilisant la formule P=
avec F poids du
S
patineur : (attention aux unités !! )
16
70×10
=9,1.10 5 Pa
−3
−2
3,5.10 ×22.10
Si on se reporte au diagramme, on voit que le point de coordonnées (-5°C;9,1.105 Pa) correspond bien à
la zone liquide. Il y a donc bien une couche d'eau liquide sous le patin.
P=
2- Expliquer pourquoi le même patineur glisserait beaucoup moins s'il portait des chaussures.
Si il porte des chaussures, la surface est plus grande, par conséquent la pression plus faible et donc on se
situe dans le domaine de l'eau solide.
Donnée : intensité du champ de pesanteur : g=10m.s-2.
Exercice 3 : Bouteille de butane
Une bouteille de gaz pour usage domestique contient 13,0kg de butane C4H10 partiellement liquéfié. La
bouteille a un volume interne V=30,6L.
1- Vérifier qu'à 25°C le butane dans la bouteille est partiellement liquéfié, c'est à dire qu'il n'est ni
complètement gazeux ni complètement liquide. Dans ces conditions, donner la valeur de la pression à
l'intérieur de la bouteille.
Supposons que le butane soit totalement liquide, dans ce cas la masse dans la bouteille serait :
m=ρ×V =590×30,6.10−3=18,0 kg ce qui est supérieur à 13kg donc il n'est pas totalement liquide.
Imaginons qu'il soit gazeux, à sa pression de vapeur saturante (en effet si on est au dessus de P V il sera
totalement gazeux, donc PV représente la limite), calculons la masse dans ce cas :
PV
2,5.105 ×30,6 .10−3
m=n×M =
×M =
×( 4×12,0+10×1,0)=3,1×58=179g ce qui est inférieur
RT
8,31×298
à 13kg. Donc le butane n'est pas totalement gazeux, il est partiellement liquéfié et la pression dans la
bouteille est la pression de vapeur saturante Pv=2,5bar
2- Déterminer quel serait le volume de l'enceinte nécessaire pour contenir le butane à l'état gazeux dans
les mêmes conditions de température et de pression. En déduire un premier avantage au fait de conserver
le butane sous forme partiellement liquéfiée.
n R T m R T 13.103×8,31×298
V=
=
=
=2,22 m3 soit 2220L les bouteilles seraient trop grandes si le
5
PV
PV M
2,5.10 ×58
butane était gazeux …
3- On ouvre légèrement le robinet de la bouteille afin de laisser sortir le butane gazeux pour l'utiliser.
Déterminer qualitativement l'évolution de la pression dans la bouteille au cours de l'utilisation du gaz. En
déduire un deuxième avantage au fait de conserver le butane sous forme partiellement liquéfiée.
Tant qu'il y a du liquide, la pression reste la pression de vapeur saturante ce qui garantit une pression
constante en sortie de bouteille.
Lorsqu'il n'y a plus de liquide, la pression diminue jusqu'à atteindre la pression atmosphérique.
4- Les distributeurs de gaz vendent également des bouteilles qui contiennent 13kg de propane C 3H9
partiellement liquéfié. Expliquer quelle est la différence majeure entre les bouteilles de propane et de
butane en termes de température d'utilisation.
Pour que le gaz sorte de la bouteille il faut que la pression soit supérieure à la pression atmosphérique.
La température d'ébullition du butane indique que à -0,5°C la pression dans la bouteille sera de 1atm, cela
limite son utilisation en extérieur. Avec le propane on pourra l'utiliser jusqu'à -42°C donc en extérieur
dans les pays froids !
Données :
Masse volumique du butane liquide à 25°C : ρ=590kg.m-3
Pression de vapeur saturante du butane à 25°C : PV=2,5bar
Températures d'ébullition à P=1atm : Teb,butane=-0,5°C, Teb,propane=-42°C
17

D éfinition P ropriétés

Transcription

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