Aurélie 20/12/06
 

Agrégation 2006 : la molécule de dioxygène ; diagramme binaire O2-N2.

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La molécule O2 :

Configuration électronique fondamentale de l'oygène : Z=8 soit 1s2, 2s2, 2p4.

Règles d'élaboration des diagrammes moléculaires :

Les orbitale atomiques de même symétrie et d'énergie proche sont combinées. Il en résulte un nombre d'orbitale moléculaire (OM) égal au nombre d'orbitale atomique ( OA) de départ.

* placer les OA des deux atomes de part et d'autre d'un espace destiné au tracé des OM. Si deux atomes ne sont pas identiques, les OA n'ont pas la même énergie : l'atome le plus électronégatif est celui dont les OA sont situées le plus bas.

* connaître les liaisons :

  • la liaison s vient de l'interaction des OA s-s, ou s-pz ou pz-pz.
  • la liaison p vient de l'interaction des OA px-px ou py-py
toutes les autres interactions ne donnent rien, le recouvrement étant nul.

* trouver les positions des OM par rapport aux OA :

  • on ne raisonne que sur les électrons de valence
  • les OM liantes sont au dessous des OA ; les OM antiliantes sont au dessus des OA. (l'OM antiliante du haut est plus haut que la liante du bas n'est en bas.)
la séparation énergétique est d'autant plus forte que les OA se recouvrent bien et ont des niveaux d'énergies proches.

Diagramme d'orbitales moléculaires de la molécule O2 :

Règles à respecter pour placer les électrons sur ce diagramme :

Placer les électrons dans les niveaux de plus basse énergie.

Remplir le maximum d'orbitales dégénérées avec un électron, puis constituer des doublets.

propriétés paramagnétiques de O2 : deux électrons non appariés sont présents d'après ce diagramme.


Distillation fractionnée de l'air liquide :

Le changement d'état des mélanges binaires O2 - N2 s'étudie grâce au diagramme isobare ( P= 1 bar) d'équilibre liquide-vapeur suivant :

Mélanges binaires idéaux :

Microscopiquement la solution se comporte comme un liquide pur : les interactions entre molécules différentes et molécules identiques sont égales. Il faut pour cela que les molécules soient assez semblables ( exemple O2 et N2).

On observe un diagramme en fuseau ou diagramme isotherme idéal pour des liquides totalement miscibles.

Phases en présence dans les domaines I, II, III :

à pression constante, quand la température s'élève, on passe de l'état liquide à l'état vapeur.

donc : I : liquide ; II : liquide et vapeur en équilibre ; III : vapeur

courbe a : courbe de rosée, ensemble des points où apparaît la première goutte de liquide lorsqu'on refroidit de la vapeur.

courbe b : courbe de d'ébullition, ensemble des points où apparaît la première goutte de vapeur lorsqu'on chauffe le liquide.


théorème des moments chimiques :

On considère n moles d'un mélange de composition xM, porté à la température TM.

Le point M à l'intérieur du fuseau indique que nous sommes en présence du mélange liquide + vapeur ; il nous renseigne aussi sur les proportions respectives du liquide et de la vapeur.

notations : xL fraction molaire de O2 à l'état liquide ; xV fraction molaire de O2 à l'état vapeur ; xM fraction molaire en O2.

nL : nombre de moles de mélange à l'état liquide ; nV : nombre de moles de mélange à l'état vapeur. nL + nV = n (1)

La conservation du dioxygène s'écrit : nL(O2) + nV(O2)= n(O2).

soit xLnL + xV nV = xM n (2)

(1) et (2) donne : xLnL + xV (n-nL)= xM n

nL(xL-xV) = n(xM-xV) ; nLAB = n AM.


Rectification de l'air liquide :
On considère sous une pression constante égale à 1 bar, une tonne d'un mélange liquide constitué à 40 % de diazote et à 60% de dioxygène ( pourcentage molaire).

L'ébullition d'un tel mélange commence à 83°C.

Il faut arrêter l'ébullition à 85°C pour récupérer un liquide contenant 75% de O2 ( pourcentage molaire)

xL= 0,75 et xV= 0,42

Or nLAB = n AM ; AM= 0,60-0,42 = 0,18 ; AB= 0,75-0,42 = 0,33

masse du mélange m = 106 g ; masse molaire M= 0,4*28 +0,6*32 = 30,4 g/mol

n = 106/30,4 =3,29 104 mol

nL=3,29 104*0,18/0,33 =1,8,0 104 mol

masse molaire du liquide : 0,75*32+0,25*28 =31,1 g/mol

masse mL de liquide récupéré : 1,8,0 104*31,1 =5,6 105 g =0,56 t.

Après séchage, ce liquide est totalement vaporisé. On doit dépasser la température Tvap = 88,5 °C

La vapeur obtenue est condensée. La composition du liquide qui apparaît à Tvap est : 0,95

 




 



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