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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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COSMO-RS : principes fondamentaux
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1. Contexte
Différentes méthodes de simulation de comportement des liquides sont à la disposition de l’ingénieur. La dynamique moléculaire et les approches Monte-Carlo simulent explicitement le comportement des liquides (i. e. à partir des interactions entre atomes le constituant, ou dans le cas d’approches par gros grains, de groupes chimiques). Ainsi, en principe, tout système peut être simulé par dynamique moléculaire [J 1 011] [J 1 012] [J 1 013]. Toutefois, en pratique, la dynamique moléculaire requiert des ressources de calcul importantes même pour des systèmes relativement simples. En effet, le temps de calcul augmente quadratiquement avec le nombre d’atomes simulés, c’est-à-dire qu’en multipliant par deux le nombre d’atomes, le temps de calcul est multiplié par quatre. Si bien que les simulations réalistes durent habituellement plusieurs jours à plusieurs semaines sur plusieurs dizaines de processeurs. De plus, l’utilisation et l’interprétation de calculs de dynamique moléculaire requièrent une expertise spécifique, comparativement à d’autres méthodes plus conviviales accessibles aux non-spécialistes. Ainsi, malgré son applicabilité potentiellement universelle, la dynamique moléculaire n’est pas, à l’heure actuelle, un outil de modélisation adapté à toutes les problématiques et, pour contourner ses limites, d’autres approches...
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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).
-
(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).
-
(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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