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Faculté des Sciences
Section de chimie et biochimie Département de chimie physique
Travaux Pratiques de chimie physique I
Par
Groupe I
M. Laverrière Romain M. Tissot Jean-Marie M. Dierickx Stéphane
Genève 2011
Volume molaire
Travaux Pratique Titre du travail
- i -
Table des matières
Table des matières ..................................................................................................... i 1. But de lʼexpérience .............................................................................................. 1 2. Partie Théorique .................................................................................................. 1 3. Partie pratique ..................................................................................................... 2 4. Résultats ............................................................................................................. 3 5. Discussion et conclusion ..................................................................................... 5 6. Exercices ............................................................................................................. 5 7. Bibliographie ....................................................................................................... 6
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1. But de lʼexpérience
Dans ce tp, nous avons déterminé les volumes molaires partiels du système eau-méthanol à 25 °C en fonction de la composition, ainsi que les volumes en excès et lʼindice de réfraction des différentes solutions.
2. Partie Théorique
Le volume molaire est une valeur extensive que lʼon définit selon les volumes molaires partiels qui le constituent :
!!"# =!"!"! !,!
= !! !,!
Dans le cas dʼun système binaire, composé de eux substances A et B, le volume devient donc :
!!"# =!
!! + !! ⟺ ! = !!"# ∙ (!! ∙ !!)
Ainsi, le volume molaire partiel de A devient donc :
!! =!"!!! !,!,!!
= !!"# + !! + !!!"!"#!!! !,!,!!
= !!"# − !!!!!"#!!! !,!,!!
Pour étudier la différence entre le volume idéal et le volume réel, on calcule le volume en excès comme suit :
!! = !!"# − (!!!!° + !!!!°)
avec V°A et V°B, les volumes molaires de A et B.
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3. Partie pratique 8 solutions aqueuses de méthanol ont été préparées, dʼaprès les fractions massiques données. Pour cela, le volume dʼeau et de méthanol est calculé dʼaprès la formule suivante : !!!!!!"#$
= !!!!!!"#$
∙ !!.!" !!"#$ = !!"!
(!!!! !!"#$)!! !!!! =
Et VH2O = Vtot – VMeOH Solution: 1 2 3 4 5 6 7 8 XMeOH) 0.05 0.1 0.15 0.2 0.35 0.5 0.65 0.8 XH2O 0.95 0.9 0.85 0.8 0.65 0.5 0.35 0.2 VH2O/VMeOH 8.4407 3.9982 2.5174 1.7770 0.8250 0.4442 0.2392 0.1111 VMeOH [mL] 3.7074 7.0025 9.9505 12.6036 19.1778 24.2341 28.2438 31.5014 VH2O [mL] 31.2926 27.9975 25.0495 22.3964 15.8222 10.7659 6.7562 3.4986 Pour préparer les solutions avec précision, il a été important dʼutiliser de lʼeau dégazée. Il faut aussi suivre toute une procédure : - Tout dʼabord, lʼerlenmeyer a été taré avec son bouchon. - Ensuite, le volume dʼeau a été introduit dans lʼerlenmeyer, à lʼaide dʼune
pipette. - Puis, lʼerlenmeyer a été bouchée rapidement et pesée pour obtenir la
quantité précise dʼeau. - Ensuite, le volume de méthanol dans lʼerlenmeyer a été introduit, enfin
lʼerlenmeyer a été pesé. Cette procédure a été effectuée pour chaque solution. Par la suite, la densité des solutions et les indices de réfraction ont pu être déterminés, en suivant la procédure ci-dessous : - 1. Tout dʼabord, le pycnomètre propre et sec a été pesé. - 2. Ensuite, le pycnomètre a été rempli dʼeau distillée et plongé dans un
thermostat pendant 15 minutes. - 3. Puis, le pycnomètre a été pesé à sa sortie du thermostat, cela nous
permet de déduire le volume précis du pycnomètre. Cette calibration a été réalisée pour chacun des pycnomètres.
- Apres avoir lavé le pycnomètre, le point 2 a été répété pour les 8 solutions à étudier.
- Enfin, lʼindice de réfraction a été mesuré.
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4. Résultats
Vide Avec eau V (mL)
m pic. 83 [g]: 20.5868 45.4642 24.9511
m pic. 457 [g]: 19.3525 44.3410 25.0626
Solution: 1 2 3 4 5 6 7 8 X(MeOH) 0.05 0.1 0.15 0.2 0.35 0.5 0.65 0.8 X(H2O) 0.95 0.9 0.85 0.8 0.65 0.5 0.35 0.2 V(H2O)/V(MeOH) 8.4407 3.9982 2.5174 1.7770 0.8250 0.4442 0.2392 0.1111 V(MeOH) [mL] 3.7074 7.0025 9.9505 12.6036 19.1778 24.2341 28.2438 31.5014 V(H2O) [mL] 31.2926 27.9975 25.0495 22.3964 15.8222 10.7659 6.7562 3.4986 m erlen [g] 40.9841 55.4355 40.9841 55.4355 55.4355 40.9841 40.9841 55.4355 m erlen + eau [g] 71.3085 82.7692 65.5657 77.7248 70.7326 51.7020 48.2802 58.8084 m tot 74.2185 88.3050 73.4600 87.9732 85.8874 70.8274 70.4352 83.2661 m eau [g] 30.3244 27.3337 24.5816 22.2893 15.2971 10.7179 7.2961 3.3729 m méthanol [g] 2.9100 5.5358 7.8943 10.2484 15.1548 19.1254 22.1550 24.4577 indice ref. 1.334 1.3362 1.338 1.339 1.34 1.3415 1.3373 1.333 n eau [mol] 1.6833 1.5173 1.3645 1.2373 0.8491 0.5949 0.4050 0.1872 n méthanol [mol] 0.0908 0.1728 0.2464 0.3198 0.4730 0.5969 0.6914 0.7633 rap. mol. MeOH 0.0512 0.1022 0.1529 0.2054 0.3577 0.5008 0.6306 0.8030 rap.mol. Eau 0.9488 0.8978 0.8471 0.7946 0.6423 0.4992 0.3694 0.1970 vol. mol. [ml/mol] 19.0807 20.0802 21.0627 22.0908 25.2497 28.4520 31.4836 35.6220 vol idéal [ml] 19.2266 20.3815 21.5292 22.7164 26.1635 29.4011 32.3385 36.2399 vol excès [ml] -‐0.1459 -‐0.3013 -‐0.4665 -‐0.6255 -‐0.9138 -‐0.9492 -‐0.8549 -‐0.6179 Xb 0.0256 0.0767 0.1276 0.1792 0.2816 0.4293 0.5657 0.7168 tangente 19.7782 19.5844 19.3723 19.5974 20.7366 22.3820 23.3553 24.0034 Va 19.0742 19.0691 19.1051 20.1589 21.0119 20.3597 20.3403 0.6048 Vb 38.8523 38.6535 38.4774 39.7563 41.7485 42.7417 43.6956 24.6082
Solution m pic. [g] m tot à 298K m mélange [g] ρ [g/ml] 1 19.3566 43.9626 24.606 0.9818 2 20.595 44.7618 24.1668 0.9686 3 19.3566 43.3455 23.9889 0.9572 4 20.595 44.1969 23.6019 0.9459 5 20.595 43.3557 22.7607 0.9122 6 19.3566 41.4136 22.057 0.8801 7 19.3566 40.7391 21.3825 0.8532 8 20.595 41.1033 20.5083 0.8219
Indice de ref eau pure 1.332 méthanol pur 1.3265
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y = -‐0.2142x + 0.9902 R² = 0.99855
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
densité [g/m
l]
Rapport molaire MeOH
ρ=ρ(rap. mol. MeOH)
y = 21.919x + 17.708 R² = 0.99864
0
10
20
30
40
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 volume molaire [m
l/mol]
Rapport molaire MeOH
Vmol = Vmol(rap. mol. MeOH)
-‐1.2 -‐1
-‐0.8 -‐0.6 -‐0.4 -‐0.2 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Volume d'excès [m
l]
Fraction molaire de MeOH
VE = VE(XMeOH)
théorique pratique
38
39
40
41
42
43
44
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
Vb [m
l]
Rapport molaire de MeOH
Vb = Vb(rap. mol. MeOH)
- 5 -
5. Discussion et conclusion
Lʼon peut voir que les courbes des deux premiers graphiques sont relativement droites ce qui montre que les mesures ont été bien cohérentes entre elles. Pour le troisième graphique lʼon peut voir que les valeurs obtenues se rapprochent bien de la courbe théorique et que la quatrième suit la même forme de courbe que celle théorique. En résumé, même si les valeurs pratiques ne sont parfaitement les mêmes que les valeurs théoriques, elles sʼen rapprochent. Cette différence peut être expliquée par les incertitudes de mesures.
6. Exercices
Un barman sans connaissance en thermodynamique essaie de préparer 100 mL dʼune boisson en mélangeant 30 mL dʼéthanol avec 70 mL dʼeau. Peut-il arriver? Indiquer les informations nécessaires pour répondre. Quels sont les volumes quʼil aurait dû mélanger pour obtenir effectivement 100 mL de mélange avec la même (force) que son mélange initial ?
Le volume total nʼétant pas forcément égale à la somme des volumes, on doit considérer les volumes partiels :
!!"#$ = !!!! = 0.785! !" ∙
30 !"46 !
!"#
= 0.511 !"#
!!!! = !!!! = 1! !" ∙
70 !"18 !
!"#
= 3.88 !"#
⟹ !!"#$ =0.511
0.511+ 3.88 = 0.12⟹ !!"#$ = 53.6 !"/!"#
⟹ !!!! =3.88
0.511+ 3.88 = 0.88⟹ !!!! = 18.1 !"/!"# Pour un volume total de 100 mL, il faut :
!!"! = !!!! ∙ !!!! + !!"#$ ∙ !!"#$ = 100 !" On trouve donc :
!!"#$ = 0.53 !"#⟹ !!"#$ = 31.1 !" !!!! = 3.94 !"#⟹ !!!! = 70.9 !"
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Lʼexpérience montre que le volume V (exprimé en ml) dʼune solution contenant m moles dʼacide acétique dans 100 g dʼeau est donnée à 25°C par la formule ci-dessous :
V = A+Bm+Cm2 = 1002.935 + 51.832 m+0.1394 m2
Cette équation est valable pour 0.16 < m < 2.5. Quelle est lʼexpression des volumes molaires partiels de lʼeau et de lʼacide acétique en fonction de m ? Quelle est la valeur de m prise pour une solution aqueuse contenant 2 moles dʼacide acétique par litre de solution ?
!!" =!!!"!!!!" !,!,!!
= ! + 2 ∙ ! ∙!
!!"# =!!"! −! ∙ !!"
!!"#=
! + !" + !!! − !" − 2!!!
!!"#=
! − !!!
!!"#
Pour CAc = 2 mol/L = 0.002 mol/mL :
!!" =!!!"!
⟹ ! = !!" ∙ !!"! = 0.002 ∙ (! + !" + !!!)
⟹ 0.16 < ! = 2.24 !"# < 2.5
On mélange deux liquides purs et on observe un volume dʼexcès négatif. Si lʼon mesure la chaleur mélange correspondante, sera-t-elle exothermique ou endothermique ? Justifier votre réponse. Elle sera exothermique. En effet, la formation de liaisons dans le mélange réduit le volume et abaisse lʼénergie du mélange, ce qui se traduit par une libération de chaleur. Dans le cas du mélange Eau-Méthanol, on a constaté la formation de liaison hydrogène, donnant un volume dʼexcès négatif, ainsi quʼun dégagement de chaleur, ce qui nous prouve que la solution est exothermique.
7. Bibliographie
[1] Hans Hagemann, Protocole des travaux pratiques de chimie physique I
[2] David R. Lide, Handbook of Chemistry and Physics, (2007-2008)