Mélange homogène
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2008-07-10T11:43:31Z
Montangero
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/* Température d'un mélange */
Le mélange est l'action de prendre deux composants distincts, deux [[Phase (thermodynamique)|phase]]s, et de les réunir dans un récipient. La réunion de ces composants peut être accidentelle, ou bien peut avoir pour but d'amorcer une réaction chimique (mise en présence des [[réactant]]s) ou d'avoir un système ayant les propriétés des deux composants pris individuellement.
On parle de '''mélange homogène''' lorsque l'on peut considérer que l'on a un produit unique.
Pour certains, parler de « mélange homogène » est superfétatoire, un [[pléonasme]], puisque le mot « mélange » désigne déjà la réunion de composants différents en un ensemble indissociable d'un point de vue quelconque. Cependant, cette homogénéité n'est pas absolue, mais dépend des paramètres auxquels on s'intéresse. Par exemple, un mélange pourra sembler homogène à l'œil nu, mais pas pour une machine analyse chimique sensible ; l'homogénéité peut-être satisfaisante ou non selon le but de l'opération de mélange ou du mélange lui-même ou encore selon les paramètres de son stockage ou le délai avant son usage.
L'homogénéité peut s'apprécier à l'uniformité des concentrations en tout point du mélange et à l'absence de structures ou micro-structures physiquement décelables, par exemple visuellement. Ainsi un mélange homogène de liquides se reconnaîtra à sa transparence, compte-tenu bien sûr de celles des liquides mélangés.
Lorsque l'on ne peut pas considérer le système obtenu comme étant une phase unique pour l'application concernée, on parle de « [[mélange hétérogène]] ».
Du fait de la proximité des composants, un mélange homogène de réactants est toujours plus réactifs qu'un mélange hétérogène : la réaction s'amorce plus facilement, elle est plus rapide, elle peut même être violente.
== Déroulement d'un mélange ==
Les constituants d'un mélange sont généralement des produits différents, mais peuvent être un même corps dans des états différents, par exemple
* eau liquide-eau cristallisée ;
* eaux à différentes températures,
* air faiblement humide-air saturée en humidité,
* ....
Lorsque l'on a deux produits différents, ils peuvent différer par :
* leur [[composition chimique]] ;
* leur [[état de la matière|état]] ([[gaz]]eux, [[liquide]], [[État solide|solide]]) et leur température ;
* leurs propriétés physiques ([[Déformation élastique|élasticité]]..., [[optique]]s, [[électromagnétisme|électromagnétiques]]...)
Lorsque l'on met ces deux produits en contact, ils peuvent :
* rester sous la forme de deux produits « côte à côte », autrement dit deux phases juxtaposées, on parle de « [[mélange hétérogène]] », de « produits [[miscibilité|non miscibles]] » ;
* se mélanger pour former une phase homogène, on parle alors de « mélange homogène » et de « produits [[miscibilité|miscibles]] » ;
* réagir chimiquement ou physiquement pour former une nouvelle phase unique, ou bien d'autres phases miscibles ou non.
L'obtention d'un mélange homogène passe en général par ue phase d'agitation, de « brassage », afin de forcer le déplacement des éléments des deux phases initiales et de les répartir uniformément. Dans le cas d'une mélange de poudres, on peut aussi passer par une phase de broyage, afin de fractionner les solides, mais ce broyage peut au contraire provoquer une agglomération.
== Conditions de miscibilité ==
=== Mélanges de gaz ===
Deux gaz, s'ils ne réagissent pas vivement l'un sur l'autre, sont toujours miscibles, un mélange gazeux est toujours homogène. Un contre-exemple typique est le mélange d'[[ammoniac]] ([[azote|N]][[hydrogène|H]]<sub>3</sub>) et de chlorure d'hydrogène ([[hydrogène|H]][[chlore|Cl]], [[anhydride]] d'[[acide chlorhydrique]]), qui forme un brouillard de cristaux de [[chlorure d'ammonium]] (NH<sub>4</sub>Cl).
Hors cas de réaction chimique, c'est même le modèle de l'homogénéité : les molécules sont très faiblement liées et le [[mouvement brownien]] ([[Diffusion de la matière|diffusion]]) et tous les autres types de déplacement de matière ([[convection]], courant) sont les plus intenses dans l'état gazeux, assurant le maintien de l'homogénéité.
Le mélange n'est pas toujours spontané ou être pratiquement retardé par des différences de température, la pesanteur et autre effet physique : en l'absence d'agitation, un gaz peut s'accumuler au niveau du sol ou au contraire dans des infractuosités situées plus en hauteur ; les polluants gazeux ne se diffusent que lentement parfois dans l'atmosphère...
En présence d'un champ de [[pesanteur]] et si la hauteur du système considéré est importante, on peut avoir une stratification : la [[Concentration molaire|concentration]] en gaz le plus [[densité|dense]] est plus importante en bas (gaz dit « lourd »), et la concentration en gaz le moins dense est plus importante en haut (gaz dit « léger »).
Cet effet ne peut se constater qu'avec des différences d'altitude de plusieurs centaines de mètres. En effet, l'[[énergie cinétique]] des [[molécule]]s de gaz (3·''k''·''T'', où ''k'' est la [[constante de Boltzmann]] et ''T'' est la [[température]] absolue) est très supérieure à l'[[Énergie potentielle gravitationnelle|énergie potentielle]] de [[gravité]] (''m''<sub>''i''</sub>·''g''·''z'', où ''m''<sub>''i''</sub> est la masse d'une molécule, ''g'' est l'accélération de la gravité et ''z'' est l'altitude). La concentration de gaz ''i'' ''C''<sub>''i''</sub>(''z'') suit une loi de [[statistique de Maxwell-Boltzmann|Maxwell-Boltzmann]]
:<math>C_i (z) = C_{i0} \cdot \exp \left ( - \frac{m_i \cdot g \cdot z}{kT} \right )</math>
où ''C''<sub>''i''0</sub> est la concentration à l'altitude de référence (''z'' = 0). On voit que le rapport de proportions ''C''<sub>1</sub>/''C''<sub>2</sub> varie selon
:<math>\exp \left ( \frac{(m_2 - m_1) \cdot g \cdot z}{kT} \right )</math>
qui varie très lentement en ''z''.
Par contre, lorsque la température diminue ou que la [[pression]] augmente, on peut avoir la condensation d'un des gaz ([[rosée]]) ; on se rapproche alors d'un [[mélange hétérogène]] appelé [[aérosol]] ou [[brouillard]], et le mélange s'appauvrit fortement en gaz qui se [[liquéfaction|liquéfie]].
=== Mélanges de liquides ===
La composition chimique et les propriétés physiques de deux liquides déterminent leur miscibilité.
Leurs [[tension superficielle|tensions superficielles]] peuvent empêcher l'homogénéisation. On peut intervenir par agitation (brassage), mais le résultat est le plus souvent une [[émulsion]] qui avec le temps reviendra aux phases initiales. L'émulsion revient à fractionner le plus finement possible chaque phase, mais les ordres de grandeur de ces fractionnement sont très loin des dimensions moléculaires ou atomiques : l'émulsion n'est pas un mélange vraiment homogène et cela se constate souvent à l'œil nu (effet ''vinaigrette'').
Les propriétés chimiques des liquides en présence et leurs paramètres physiques peuvent empêcher tout mélange :
* par réactivité : synthèse d'un composé solide ([[précipité|précipitation]]) ou gazeux (risque d'explosion) ;
* volatilisation d'un liquide proche de son point d'ébullition si l'autre liquide à une température élevée ou que l'on est en présence d'une réaction exothermique ;
* par incompatibilité :<br /> liquide [[hydrophobie (physique)|hydrophobe]] et liquide [[hydrophilie|hydrophile]] : exemple de l'eau et de l'huile, la solution dans ce cas étant de faire appel à un tiers conciliant les deux autres tel qu'un savon...
En cas de miscibilité, un certain nombre de [[variable extensive|propriétés extensives]] suivent une loi dite « des masses » :
: si la propriété ''A'' du liquide 1 vaut ''A''<sub>1</sub> et que celle du liquide 2 vaut ''A''<sub>2</sub>,
: et que l'on mélange une masse ''m''<sub>1</sub> du liquide 1 avec une masse ''m''<sub>2</sub> du liquide 2,
: alors la propriété ''A'' du mélange vaut :
:<math>A = \frac{m_1 \cdot A_1 + m_2 \cdot A_2}{m_1+m_2}</math>
:La valeur de ''A'' est la moyenne des valeurs pour chaque liquide pondérée par les masses.
Cependant, cette loi ne s'applique pas à toutes les propriétés extensives pour tous les systèmes. En effet, il peut se produire des réactions chimiques ou physiques modifiant les valeurs ; ainsi, cette loi des masses est en général respectée pour des propriétés telles que le [[volume]] ou la [[capacité calorifique]], mais pas toujours. Les [[variable intensive|propriétés intensives]], quant à elles, ne suivent pas une loi de ce type (par exemple la [[température]], la [[pression]]... ne suivent pas la loi des masses).
=== Mélanges liquide/solide ===
Les propriétés du liquide et du solide permettent parfois d'obtenir l'homogénéité via la dissolution du solide, on a alors une phase unique appelée « [[Solution (chimie)|solution]] ». Voir aussi les articles ''[[Précipité]]'' et ''[[Solvant]]''.
Si le solide ne se dissout pas, on peut obtenir une certaine homogénéité dans le mélange d'un liquide et d'un solide en poudre si l'application n'est pas trop « regardante ». La viscosité du liquide et son affinité chimique pour le corps en poudre sont les principaux paramètres de la stabilité du mélange, en plus de la [[granulométrie]].
Le solide peut également lier les molécules du liquide ; c'est le cas par exemple de l'[[eau]] et de la [[farine]] dans la fabrication d'une [[pâte]] en [[cuisine]], de l'eau et du [[ciment]] pour la fabrication d'un [[mortier (matériau)|mortier]], de l'eau et du [[gypse]] dans la fabrication du [[plâtre]]. On obtient alors ce qui semble être un fluide très visqueux, « pâteux », mais qui est en fait une poudre (donc un solide) dont les grains sont liés entre eux par les molécules d'eau. La quantité d'eau doit être suffisante pour hydrater tous les grains de poudre (ne pas faire de grumeau) et pas excessive pour ne pas être en surplus ; dans ces conditions, et si le mélange est bien pétri, on est réellement en présence d'une seule phase (poudre hydratée).
Le mélange sera dit « homogène » s'il paraît uniforme à l'œil et sous la main (absence de grumeaux, on ne sent plus la granulosité), mais observé à la loupe, il sera composé de grains séparés.
=== Mélanges de solides ===
Dans le cas de solides, l'homogénéité n'est jamais parfaite, elle est proportionnelle à la finesse de la granulométrie des poudres. On s'attache alors à avoir une répartition aléatoire des grains des deux composants, la granulométrie devant être sensiblement identique pour les deux poudres.
Lorsque l'on passe par une étape de fusion, on en revient alors à la situation de mélange de liquides. Au refroidissement, il peut se produire soit la solidification d'une seule phase, soit la solidification de plusieurs phases, voir l'article ''[[Diagramme de phase]]''. Lorsque l'on a formation d'une seule phase, on ne parle pas de mélange homogène mais d'« [[alliage]] homogène », ou de « [[solution solide]] ». La fusion n'est donc pas à proprement parler une méthode de mélange de solides.
=== Mélanges solide/gaz et liquide/gaz ===
Malgré le caractère relatif de la notion d'homogénéité, on considère toujours en physique que l'on est en présence d'un [[mélange hétérogène]].
Cependant, on peut s'attacher à avoir une répartition parfaitement aléatoire (donc statistiquement uniforme), mais on parle plutôt d'uniformité que d'homogénéité.
== Température d'un mélange ==
Dans le cas d'un mélange dit « idéal » de deux liquides (ou de deux gaz) de température ''T''<sub>1</sub> et ''T''<sub>2</sub>, l'[[Transfert thermique|énergie calorifique]] apportée par chacun des liquides est mise en commun. La température finale ''T'' peut donc se calculer par :
:<math>(m_1 \cdot c_1 + m_2 \cdot c_2) \cdot T = m_1 \cdot c_1 \cdot T_1 + m_2 \cdot c_2 \cdot T_2</math>
où ''c''<sub>''i''</sub> est la [[capacité calorifique]] du liquide ''i''. Dans certains cas, les interactions entre les deux liquides « absorbent » ou au contraire « génèrent » de la chaleur ; cette loi devient donc fausse, et l'écart de chaleur est appelée « [[enthalpie de mélange]] ».
[[Catégorie:Phase]]