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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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Analyse bibliométrique de COSMO-RS et cartes conceptuelles
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2. COSMO-RS : principes fondamentaux
2.1 Sigma-surfaces et sigma-profils des molécules polaires et apolaires
COSMO : le « COnductor-like Screening MOdel » (modèle d’écrantage conducteur) développé en 1993 fait partie d’une famille de modèles représentant l’interaction d’une molécule avec le milieu environnant à l’aide d’une surface moléculaire chargée. COSMO approxime le milieu environnant comme un conducteur au sens électrostatique du terme. Les lois de l’électrostatique classique (relation de Gauss et loi de Poisson) permettent de calculer les densités de charge produites à la surface de la cavité moléculaire par polarisation du milieu conducteur du fait de la présence d’une distribution de charge à la surface de la molécule (elle-même directement issue du calcul quantique), sur la base d’une seule et unique constante diélectrique. La théorie COSMO-RS est basée sur les densités de charge à la surface de la cavité quand cette constante diélectrique tend vers l’infini (conducteur « parfait »).
COSMO-RS : cet acronyme de « COnductor-like Screening MOdel for Realistic Solvation » recouvre deux notions distinctes Au sens restreint, il s’agit d’une théorie qui relie les densités de charge des surfaces moléculaires obtenues avec COSMO avec le potentiel chimique des molécules dans les liquides. Par extension, COSMO-RS désigne aussi l’ensemble des modèles qui ont été déduits, directement ou indirectement, de cette théorie. Dans cet article, COSMO-RS est utilisé dans son sens large.
Toute application de COSMO-RS s’appuie sur les surfaces moléculaires chargées issues du modèle COSMO (voir encart de définition et figure 1) de chaque molécule impliquée dans le système d’intérêt. Le cas échéant,...
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COSMO-RS : principes fondamentaux
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).
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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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