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RÉSUMÉ
COSMO-RS est une théorie basée sur la chimie quantique et la thermodynamique statistique, permettant de prédire de nombreuses propriétés physico-chimiques utiles aux ingénieurs et aux formulateurs. Cet article présente la théorie COSMO-RS dans sa version la plus simplifiée ainsi que ses différentes implémentations et ses limitations. Elle décrit ses applications les plus importantes en génie chimique, dans le domaine de la solubilisation des composés moléculaires, des coefficients de partage entre phases L-L et L-G, des constantes d’équilibres et des potentiels d’oxydo-réduction.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Théophile GAUDIN : Docteur en Chimie - Ingénieur support scientifique à Dassault Systèmes, Cambridge, Royaume-Uni
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Jean-Marie AUBRY : Ingénieur de l’École Supérieure de Physique et Chimie Industrielle (ESPCI) - Agrégé de Chimie - Docteur es-Sciences en Chimie - Professeur Émérite à l’École Nationale Supérieure de Chimie de Lille (ENSCL), Lille, France
INTRODUCTION
D’une manière générale, les ingénieurs chimistes ont pour objectif de développer et d’optimiser des procédés, des matières premières ou des formulations complexes prêtes à l’emploi. La compréhension des phénomènes physico-chimiques mis en jeu et la modélisation viennent l’assister pour remplir ces missions plus rapidement et plus efficacement.
Les chimistes et les formulateurs sont souvent confrontés à des liquides car leur fluidité facilite leur manipulation, leur transport et leur utilisation. Toutefois, les interactions intermoléculaires qui gouvernent les propriétés macroscopiques des liquides sont complexes et difficiles à appréhender quantitativement. Pour choisir les matières premières liquides et les procédés pour les mettre en œuvre, l’ingénieur procède encore souvent par essais/erreurs. Pourtant, les méthodes de modélisation des liquides ont considérablement progressé dans leur pouvoir prédictif et leur domaine d’application, et mériteraient d’être davantage utilisées dans la pratique industrielle quotidienne. Pour une utilisation optimale de ces méthodes, l’ingénieur doit pouvoir appréhender les principes, les avantages mais également les limitations des nombreux outils de modélisation à sa disposition.
COSMO-RS « COnductor-like Screening MOdel for Realistic Solvation » est une théorie visant à prédire les propriétés physicochimiques des liquides purs et des mélanges sur la base de la structure moléculaire des composants, et d’équations combinant les principes de la mécanique quantique et de la thermodynamique statistique. L'article [AF 6 713] se concentre principalement sur la méthodologie de calcul pour obtenir les surfaces COSMO et sur les différentes implémentations de COSMO-RS. Le présent article [J 2 114], complémentaire de [AF 6 713], se focalise sur les applications de la méthode et offre un vaste panorama des propriétés prévisibles par COSMO-RS. Les principes fondamentaux de la théorie, ainsi que des propriétés prévisibles, sont présentés, avec une emphase sur l’explicitation des différents paramètres intervenant dans les équations clé. Un troisième article [J 2 116] est plus particulièrement orienté vers les applications en chimie de spécialités et en formulation.
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MOTS-CLÉS
Coefficient d'activité Potentiel chimique Densité de charge Solvatation Surface moléculaire COSMO
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5. Conclusion
Cet article donne une vue d’ensemble de COSMO-RS et de ses applications à destination des ingénieurs. Une première partie pose les bases de la théorie et mentionne ses différentes implémentations, puis des cartes conceptuelles sont établies sur la base de la littérature académique et des brevets concernant COSMO-RS. Ensuite, la liste des propriétés qui peuvent être le plus directement prédites par la théorie elle-même est établie, détaillant les équations qui sont toutes liées d’une manière ou d’une autre aux grandeurs fondamentales de COSMO-RS, en particulier le potentiel chimique. Le pouvoir prédictif est illustré par quelques exemples de comparaisons avec les données expérimentales.
COSMO-RS est peu enseigné et relativement peu utilisé en France à l’heure actuelle, alors que cette méthode présente un potentiel important d’aide à la décision et à l’expérimentation pour l’ingénieur. Cet article est une tentative de combler ce gap. Le lecteur est encouragé à se renseigner sur COSMO-RS qui est en constante évolution et dont l’applicabilité devrait encore s’étendre significativement dans les toutes prochaines années, notamment en ce qui concerne les solutions d’électrolytes, et peut-être aussi pour l’état solide.
L’utilisation routinière de COSMO-RS est possible pour un non-expert du fait des interfaces graphiques conviviales disponibles sur le marché, et peut d’ores et déjà rendre service à l’ingénieur. Toutefois, faire appel à un(e) expert(e) de COSMO-RS peut aider à optimiser le potentiel de création de connaissance ou de richesse de COSMO-RS, par l’identification précise des capacités de COSMO-RS pour un projet, par son utilisation efficiente en un minimum de temps, ainsi que par l’identification des étapes du projet dans lesquelles COSMO-RS peut se rendre utile.
Il faut toutefois se rappeler que les méthodes théoriques comme COSMO-RS donnent généralement un ordre de grandeur des propriétés quantitatives plutôt qu’une prédiction fine à l’unité près. Typiquement, l’erreur sur des propriétés variant exponentiellement par rapport aux énergies (comme la solubilité ou la viscosité) est d’environ 0,3 unité log, ou bien un facteur 2. Ainsi, COSMO-RS est plus utile pour un criblage et une comparaison d’un large nombre de composés, permettant...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - GMEHLING (J.), LI (J.), SCHILLER (M.) - A modified UNIFAC model. 2. Present parameter matrix and results for different thermodynamic properties. - Ind. Eng. Chem. Res. 32(1) : p. 178-193 (1993).
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(2) - TROPSHA (A.), GRAMATICA (P.), GOMBAR (V.K.) - The Importance of Being Earnest : Validation is the Absolute Essential for Successful Application and Interpretation of QSPR Models. - J. Comb. Sci. 22(1) : p. 69-77 (2003).
-
(3) - GAUDIN (T.), ROTUREAU (P.), FAYET (G.) - Mixture Descriptors toward the Development of Quantitative Structure – Property Relationship Models for the Flash Points of Organic Mixtures. - Ind. Eng. Chem. Res. 54(25) : p. 6596-6604 (2015).
-
(4) - KLAMT (A.), SCHUURMANN (G.) - COSMO : a new approach to dielectric screening in solvents with explicit expressions for the screening energy and its gradient. - J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2(5) : p. 799-805 (1993).
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(5) - BEN NAIM (A.) - Solvation Thermodynamics. - New York : Plenum Press (1987).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
1.1 Distributeurs (liste non exhaustive)
Dassault Systèmes, marque BIOVIA – Solvation Chemistry
SCM, ADF COSMO-RS
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