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\begin{document}
 
\begin{center}
\begin{tabular*}{\textwidth}{@{}l@{\extracolsep{\fill}}r@{}}
Leçon de chimie 11 &   Gey Lucas, Rossetti Sylvio \\
\end{tabular*}
\vspace{0.5cm}

\HRule \\
\LARGE \textsc{Distillation et diagramme binaire}\\[-0,3cm]
\HRule \\
\end{center} 

\section*{Niveau} 
STL
\section*{Programme}
\begin{figure}[htbp]
    \centering
    \includegraphics[width=0.8\textwidth]{images/programmeSTL.PNG}
    \caption{STL1}
    \label{fig:my_label}
\end{figure}
\begin{figure}[htbp]
    \centering
    \includegraphics[width=0.7\textwidth]{images/programmeSTL2.PNG}
    \caption{STL2}
    \label{fig:my_label}
\end{figure}
En preimère les STL ont vu : température de changement d'état et en terminale les diagrammes (PT)
\section*{Bibliographie}
\begin{itemize}
    \item Site d'un prof de lycée (la plupart des schéma viennent de ce site) :  \href{https://spcl.ac-montpellier.fr/moodle/pluginfile.php/4973/mod_resource/content/2/PARTIE\%20C-la\%20distillation.pdf}{https://spcl.ac-montpellier.fr/moodle/pluginfile.php\\/4973/mod_resource/content/2/PARTIE\%20C-la\%20distillation.pdf}
\end{itemize}

\section*{pré-requis}


\section*{Expériences}
\begin{itemize}
    \item 
\end{itemize}

\tableofcontents

\section*{Introduction}

Avec la pandémie, certains producteurs de vin on distiller leurs vin pour faire du gel hydroalcoolique. Mais même sans faire de gel hydroalcoolique, pour faire de l'eau de vie, les hommes ont depuis longtemps utilisé le principe de la distillation en utilisant ce qu'on appelle un alambic (on trouve des mention d'alambic 3500 avJC). Les alambic avant de faire de l'eau de vie servait pour des médicaments ou des huiles essentielles.
Mais qu'est ce que cela signifie exactement distiller. L'idée est la suivante : on sait que l'eau s'évapore à 100$^\circ$C à pression atmosphérique alors que l'éthanol à $79^\circ$C. Ainsi, si l'on chauffe à $90^\circ$C on est sur de faire s'évaporer l'éthanol mais pas l'eau ! on peut donc séparer les deux. Oui, mais en fait non... Le comportement d'un mélange est différent de celui d'un corps pur et c'est ce que nous allons voir dans ce cours.

\section{Mélange binaires}
\subsection{Définition et description}

Un mélange binaire est un mélange de deux constituants qui ne réagissent pas entre eux. On peut par exemple citer l’exemple de l’eau avec l’éthanol.

Pour le décrire il faut indiquer les proportion de chaque espèces. 

\textbf{La fraction molaire :} Rapport de la quantité de matière d'un composé sur la quantité de matière totale du mélange.
$$x_{eau} = \frac{n_{eau}}{n_{eau}+n_{EtOH}}$$
Par définition on a :$$x_{eau}+x_{EtOH} = 1$$

Parfois on ne va pas travailler en quantité de matière mais en masse.

\textbf{La fraction massique :} Rapport de la masse d'un composé sur la masse totale du mélange.
$$w_{eau} = \frac{m_{eau}}{m_{eau}+m_{EtOH}}$$


Bien sûr, il y a autant d'information dans les deux cas, et on peut passer de l'un à l'autre :

$$x_{eau} = \frac{\frac{w_eau}{M_{eau}}}{\frac{w_eau}{M_{eau}}+\frac{w_EtOH}{M_{EtOH}}}$$


$M_{EtOH}=46$g/mol et $M_{EtOH}=18$g/mol
Si on fait un mélange binaire avec 1kg d'eau et 1kg d'éthanol on a : 
$w_{eau} = 0.5$ mais $x_{eau} = 0.72$ (en effet comme l'alcool est plus lourd on en a moins dans 1kg que d'eau)

\subsection{Étude expérimentales : Courbe d'analyse thermique}
Pour caractérisé un changement d'état on a en première utiliser une courbe d'analyse thermique pour un corp pur:
\begin{figure}[htbp]
    \centering
    \includegraphics[width=0.7\textwidth]{images/corps_pur.PNG}
    \caption{Courbe d'analyse thermique pour un corps pur}
    \label{fig:my_labelsdf}
\end{figure}

Le principe est qu'on part d'un liquide par exemple et que l'on chauffe à pression constante, en observant l'évolution de la température au cours du temps on observe qu'il y a un palier de température (à $100^\circ C$ pour l'eau). Sur ce pallier, il y a un équilibre entre la forme liquide et gazeuse.

Si on fait la même chose pour un mélange binaire, on observe qu'il n'y à pas de palier, mais une plage de température où il y a un équilibre entre les deux phases (liquide et gazeuse)
On observe quand même une brisure de pente au niveau de l'apparition de la première bulle et de la dispartion de la dernière goutte.

\begin{figure}[htbp]
    \centering
    \includegraphics[width=0.7\textwidth]{images/binaire_pur.PNG}
    \caption{Courbe d'analyse thermique pour un mélange binaire}
    \label{fdfgig:my_labelsdf}
\end{figure}

On observe aussi qu'en fonction de la composition du mélange la plage de température est différente.


Par exemple, un mélange équimolaire eau-éthanol est diphasé pour des températures allant de 77$^\circ$C à 81$^\circ$C. En dessous de 77$^\circ$C le mélange est totalement liquide et au-dessus de 81$^\circ$C le mélange est totalement vaporisé. Si par contre on modifie sa composition afin d’obtenir une fraction molaire en éthanol de 0,1 alors le mélange sera diphasé pour une plage de température différente allant de 90$^\circ$C à 97$^\circ$C. (source Julie)

\section{Diagramme binaire liquide vapeur}

\subsection{Principe}

On va construire un diagramme binaire ensemble pour comprendre comment il marche : 
\begin{figure}[htbp]
    \centering
    \includegraphics[width=0.7\textwidth]{images/construction.PNG}
    \caption{Construction d'un diagramme binaire (Le faire au tableau)}
    \label{fdfgidfg:my_labelsdf}
\end{figure}

Il faut insister sur le fait que nous sommes à pression fixé !! C'est un diagramme binaire isobare.

On peut définir la courbe de rosée (qui relie les point de fin d'ébullition) et la courbe d'ébullition qui relie les points de début d'ébullition.

\subsection{Mélange idéal}

Un mélange idéale est un mélange où tous les constituants interagissent de la même façon. C'est à dire que du point de vue d'une molécule A être à coté d'une molécule B ou d'une autre molécule A ne change rien. C'est le cas pour l'eau et l'ammoniac (les interactions sont similaires à cause des liaisons H).

\begin{figure}[htbp]
    \centering
    \includegraphics[width=0.7\textwidth]{images/fuseau_julie.PNG}
    \caption{Diagramme binaire isobare d'un mélange idéale (Source Julie Deleuze : c'est trop propre comme graphe!!)}
    \label{g:my_labelsdf}
\end{figure}

Il y a trois zones : liquide, liquide+gaz, gaz.

Pour lire un tel diagramme, on utilise le théorème de l'horizontale. Si on est à l'intérieur du fuseau à un mélange de constitution donné et à température fixé, on sais que le mélange doit être diphasé, mais comment déterminer la composition de la phase liquide et le phase gazeuse ?


On trace une droite horizontale, l'intersection de cette droite avec la courbe de rosé nous donne la composition de la vapeur et l'intersection avec la courbe d'ébullition nous donne la composition de la phase liquide. A priori l'étude précédente ne permet pas de l'expliquer ... On l'admet !

On remarque alors que dans notre exemple le liquide est beaucoup plus riche en eau que la vapeur, qui elle est plus riche en ammoniac.

On peut aussi facilement déterminer la température à laquelle on a la première goutte de liquide.

\remarque{J'aurais aimé faire une expérience ici, avec une distillation simple, mais si on veux comparer la distillation simple et fractionné dans le cas de l'eau et de l'éthanol, il faut parler d'azéotrope.}

\subsection{Mélanges avec azéotropes}

Tous les mélanges ne sont pas idéaux. Il arrive que lorque l'on construise le diagramme par la méthode montré plus haut on arrive à :

\begin{figure}[htbp]
    \centering
    \includegraphics[width=0.7\textwidth]{images/azéotrope.PNG}
    \caption{Diagramme binaire isobare d'un mélange avec un azéotrope (Source Julie Deleuze : c'est trop propre comme graphe!!)}
    \label{g:my_labelsdf}
\end{figure}
C'est le cas de l'eau et de l'éthanol.
Dans ce mélange si on est à la composition de l'azéotrope, le mélange s'évapore comme un corps pur à température constante. Le point positif, c'est que même si le diagramme à l'aire plus compliqué c'est toujours la même méthode pour le lire. La seule différence est que l'on ne regarde que dans le fuseau correspondant à sa fraction molaire.

Dans  le  cas  de  ces  mélanges,  la  figure montre  que,  suivant  les  cas,  la  composition  des  vapeurs  obtenues  par chauffage d'un mélange binaire liquide est alors plus riche ou moins riche en eau que le mélange initial.
\section{Distillation}


La distillation sert à séparer les constituant d'un mélange liquide (c'est utiliser pour la purification des hydrocarbure pour les industrielle et en laboratoire cela sert à extraire ou purifier)
\subsection{Distillation simple}

\begin{tcolorbox}
Distillation simple\\
En préparation, on a réalisé une distillation simple du vin (mélange eau-éthanol) : on présente le montage.
\end{tcolorbox}

On prend l'exemple du vin. Faire un schéma pour expliquer la distillation.
\begin{figure}[htbp]
    \centering
    \includegraphics[width=0.7\textwidth]{images/distilation_simple.PNG}
    \caption{Distillation simple}
    \label{g:my_labeldfsdf}
\end{figure}

Le principe est qu'à une température donné dans un fuseau, il va y avoir une vapeur plus riche en le constituant le plus volatil. En recondenssant ces vapeur on obtient un liquide plus riche en le composant volatil.

\begin{tcolorbox}
Distillation simple\\
On prélève un volume connue du distillat et on le pèse. On remonte à la masse volumique du mélange
\end{tcolorbox}
\subsection{Distillation fractionné}

Si on refait une distillation à partir du distillat précédent, on peut refaire la même chose et ainsi distiller à nouveau l'éthanol. Et on pourrait à priori faire cela plein de fois pour se rapprocher de l'azéotrope. Le principe de la distilation fractionnées et de faire cela en une expérience.
\begin{tcolorbox}
Distillation fractionné\\
En préparation, on a réalisé une distillation fractionné du vin (mélange eau-éthanol) : on présente le montage.
\end{tcolorbox}

\begin{figure}[htbp]
    \centering
    \includegraphics[width=0.7\textwidth]{images/distilation_fractionne.PNG}
    \caption{Distillation frationné}
    \label{g:my_labelsdf}
\end{figure}

On utilise une colonne de vigreux sur laquelle se recondense par pallier la vapeur. Chaque palier est à une température différente car elle est plus écarté de la source de chaleur, et il y a une suite de pleins de distillations d'affilé.

On fait un schéma.

\begin{tcolorbox}
Distillation fractionné\\
On prélève un volume connue du distillat et on le pèse. On remonte à la masse volumique du mélange. On compare au cas précédent.
\end{tcolorbox}

\begin{figure}
    \centering
    \includegraphics[width = .7\textwidth]{images/densité_eau_ethanol.png}
    \caption{Courbe de la densité eau-éthanol.}
\end{figure}

\subsection{Efficacitié d'une distilation}

Comment peut on amméliorer notre distilation :
\begin{itemize}
    \item La taille de la colonne et sa géométrie
    \item Mieux isoler la colone
\end{itemize}

On peut aussi faire des distillation sous pression réduite. En effet, on s'est placé ici à une pression fixé (la pression atmosphérique) mais les propriété des diagrammes binaires varient avec la pression. En effet les températures d'ébullition des corps purs ou des mélanges diminuent quand le pression diminue. Pourquoi utiliser des distillations sous pression réduite ? 
\begin{itemize}
    \item Si les composé peuvent se dégradé à la chaleur, alors il ne faut pas trop les chauffer. Ceci est utilisé pour les huiles essentielles. C'est aussi utiliser pour la "distillation d'une fraction des produits issus du pétrole brut (fiouls lourds, huiles lubrifiantes) dont les températures d'ébullition sont supérieures à 300$^\circ$C. En effet au-dessus de cette température, le craquage thermique intervient et modifie les produits."
    \item Le mode de chauffage est également plus compliquer au dessus de 150$^\circ$C. On doit par exemple pour chaffer grâce à de la vapeur d'eau utiliser des pressions très élevé. 
\end{itemize}


\section*{Conclusion}
Nous avons vu comment interpréter des diagrammes binaires, ce qui nous permet de choisir de manière raisonné les conditions expérimentales. 
On n'a pas parlé des diagrammes binaires liquide-solide, mais ils existent également et ont leur particularités.

\end{document}
