Méthode Joback - Joback method

La méthode Joback (souvent appelée méthode Joback / Reid ) prédit onze propriétés thermodynamiques importantes et couramment utilisées des composants purs à partir de la structure moléculaire uniquement.

Principes de base

Méthode de contribution de groupe

Principe d'une méthode de contribution de groupe

La méthode Joback est une méthode de contribution de groupe . Ces types de méthodes utilisent les informations structurelles de base d'une molécule chimique, comme une liste de groupes fonctionnels simples, ajoutent des paramètres à ces groupes fonctionnels et calculent les propriétés thermophysiques et de transport en fonction de la somme des paramètres de groupe.

Joback suppose qu'il n'y a pas d'interactions entre les groupes, et n'utilise donc que des contributions additives et aucune contribution pour les interactions entre les groupes. D'autres méthodes de contribution de groupe, en particulier des méthodes comme UNIFAC , qui estiment les propriétés du mélange comme les coefficients d'activité, utilisent à la fois des paramètres de groupe additifs simples et des paramètres d'interaction de groupe. Le grand avantage de n'utiliser que des paramètres de groupe simples est le petit nombre de paramètres nécessaires. Le nombre de paramètres d'interaction de groupe nécessaires devient très élevé pour un nombre croissant de groupes (1 pour deux groupes, 3 pour trois groupes, 6 pour quatre groupes, 45 pour dix groupes et deux fois plus si les interactions ne sont pas symétriques).

Neuf des propriétés sont des valeurs uniques indépendantes de la température, principalement estimées par une simple somme de la contribution du groupe plus un addend. Deux des propriétés estimées dépendent de la température: la capacité thermique du gaz idéal et la viscosité dynamique des liquides. Le polynôme de capacité thermique utilise 4 paramètres et l'équation de viscosité seulement 2. Dans les deux cas, les paramètres d'équation sont calculés par les contributions de groupe.

Histoire

Le procédé Jöback est une extension de la méthode Lydersen et utilise des groupes très similaires, les formules et les paramètres pour les trois propriétés du Lydersen déjà pris en charge ( température critique , pression critique , volume critique).

Joback a étendu la gamme des propriétés prises en charge, créé de nouveaux paramètres et modifié légèrement les formules de l'ancienne méthode Lydersen.

Modéliser les forces et les faiblesses

Forces

La popularité et le succès de la méthode Joback proviennent principalement de la liste de groupe unique pour toutes les propriétés. Cela permet d'obtenir les onze propriétés prises en charge à partir d'une seule analyse de la structure moléculaire.

La méthode Joback utilise en outre un schéma de groupe très simple et facile à attribuer, ce qui rend la méthode utilisable pour les personnes n'ayant que des connaissances chimiques de base.

Faiblesses

Erreurs systématiques de la méthode Joback (point d'ébullition normal)

De nouveaux développements des méthodes d'estimation ont montré que la qualité de la méthode Joback est limitée. Les auteurs originaux se sont déjà déclarés dans le résumé de l'article original: "La haute précision n'est pas revendiquée, mais les méthodes proposées sont souvent aussi précises ou plus précises que les techniques couramment utilisées aujourd'hui."

La liste des groupes ne couvre pas suffisamment de nombreuses molécules courantes. En particulier, les composés aromatiques ne sont pas différenciés des composants normaux contenant un cycle. C'est un problème grave car les composants aromatiques et aliphatiques diffèrent fortement.

La base de données utilisée par Joback et Reid pour obtenir les paramètres de groupe était plutôt restreinte et ne couvrait qu'un nombre limité de molécules différentes. La meilleure couverture a été obtenue pour les points d'ébullition normaux (438 composants) et la pire pour les chaleurs de fusion (155 composants). Les développements actuels qui peuvent utiliser des banques de données, comme la banque de données de Dortmund ou la base de données DIPPR, ont une couverture beaucoup plus large.

La formule utilisée pour la prédiction du point d'ébullition normal montre un autre problème. Joback a supposé une contribution constante de groupes ajoutés dans des séries homologues comme les alcanes . Cela ne décrit pas correctement le comportement réel des points d'ébullition normaux. Au lieu de la contribution constante, une diminution de la contribution avec un nombre croissant de groupes doit être appliquée. La formule choisie de la méthode Joback conduit à des écarts importants pour les grandes et petites molécules et à une bonne estimation acceptable uniquement pour les composants de taille moyenne.

Formules

Dans les formules suivantes, G _i désigne une contribution de groupe. G _i sont comptés pour chaque groupe disponible. Si un groupe est présent plusieurs fois, chaque occurrence est comptée séparément.

Point d'ébullition normal

${\ displaystyle T _ {\ text {b}} [{\ text {K}}] = 198,2+ \ sum T _ {{\ text {b}}, i}.}$

Point de fusion

${\ displaystyle T _ {\ text {m}} [{\ text {K}}] = 122,5+ \ sum T _ {{\ text {m}}, i}.}$

Température critique

${\ displaystyle T _ {\ text {c}} [{\ text {K}}] = T _ {\ text {b}} \ left [0,584 + 0,965 \ sum T _ {{\ text {c}}, i} - \ left (\ sum T _ {{\ text {c}}, i} \ right) ^ {2} \ right] ^ {- 1}.}$

Cette équation de température critique nécessite un point d'ébullition normal T _b . Si une valeur expérimentale est disponible, il est recommandé d'utiliser ce point d'ébullition. Il est, d'autre part, également possible de saisir le point d'ébullition normal estimé par la méthode Joback. Cela conduira à une erreur plus élevée.

Pression critique

${\ displaystyle P _ {\ text {c}} [{\ text {bar}}] = \ left [0,113 + 0,0032 \, N _ {\ text {a}} - \ sum P _ {{\ text {c}}, i} \ right] ^ {- 2},}$

où N _a est le nombre d'atomes dans la structure moléculaire (y compris les hydrogènes).

Volume critique

${\ displaystyle V _ {\ text {c}} [{\ text {cm}} ^ {3} / {\ text {mol}}] = 17,5+ \ sum V _ {{\ text {c}}, i}. }$

Chaleur de formation (gaz parfait, 298 K)

${\ displaystyle H _ {\ text {formation}} [{\ text {kJ}} / {\ text {mol}}] = 68.29+ \ sum H _ {{\ text {form}}, i}.}$

Énergie de formation de Gibbs (gaz parfait, 298 K)

${\ displaystyle G _ {\ text {formation}} [{\ text {kJ}} / {\ text {mol}}] = 53.88+ \ sum G _ {{\ text {form}}, i}.}$

Capacité thermique (gaz parfait)

${\ displaystyle C_ {P} [{\ text {J}} / ({\ text {mol}} \ cdot {\ text {K}})] = \ sum a_ {i} -37,93+ \ left [\ sum b_ {i} +0.210 \ right] T + \ left [\ sum c_ {i} -3.91 \ cdot 10 ^ {- 4} \ right] T ^ {2} + \ left [\ sum d_ {i} +2.06 \ cdot 10 ^ {- 7} \ right] T ^ {3}.}$

La méthode Joback utilise un polynôme à quatre paramètres pour décrire la dépendance à la température de la capacité thermique du gaz idéal. Ces paramètres sont valables de 273 K à environ 1000 K.

Chaleur de vaporisation au point d'ébullition normal

${\ displaystyle \ Delta H _ {\ text {vap}} [{\ text {kJ}} / {\ text {mol}}] = 15.30+ \ sum H _ {{\ text {vap}}, i}.}$

Température de fusion

${\ displaystyle \ Delta H _ {\ text {fus}} [{\ text {kJ}} / {\ text {mol}}] = - 0.88+ \ sum H _ {{\ text {fus}}, i}.}$

Viscosité dynamique liquide

${\ displaystyle \ eta _ {\ text {L}} [{\ text {Pa}} \ cdot {\ text {s}}] = M _ {\ text {w}} exp {\ left [\ left (\ sum \ eta _ {a} -597.82 \ right) / T + \ sum \ eta _ {b} -11.202 \ right]},}$

où M _w est le poids moléculaire .

La méthode utilise une équation à deux paramètres pour décrire la dépendance à la température de la viscosité dynamique. Les auteurs précisent que les paramètres sont valables de la température de fusion jusqu'à 0,7 de la température critique ( T _r  <0,7).

Contributions du groupe

Exemple de calcul

L'acétone (propanone) est la cétone la plus simple et est séparée en trois groupes dans la méthode Joback: deux groupes méthyle (-CH ₃ ) et un groupe cétone (C = O). Puisque le groupe méthyle est présent deux fois, ses contributions doivent être ajoutées deux fois.

	−CH 3		> C = O (sans anneau)
Propriété	Nbre de groupes	Valeur du groupe	Nbre de groupes	Valeur du groupe	${\ displaystyle \ sum G_ {i}}$	Valeur estimée	Unité
T c	2	0,0141	1	0,0380	0,0662	500,5590	K
P c	2	−1,20E − 03	1	3.10E − 03	7,00E − 04	48.0250	bar
V c	2	65,0000	1	62,0000	192,0000	209,5000	mL / mol
T b	2	23,5800	1	76,7500	123,9100	322.1100	K
T m	2	−5,1000	1	61,2000	51,0000	173,5000	K
Formation en H	2	−76,4500	1	−133,2200	−286.1200	−217,8300	kJ / mol
Formation G	2	−43,9600	1	−120,5000	−208,4200	−154,5400	kJ / mol
C p : a	2	1.95E + 01	1	6.45E + 00	4.55E + 01
C p : b	2	−8,08E − 03	1	6,70E − 02	5,08E − 02
C p : c	2	1,53E − 04	1	−3,57E − 05	2,70E − 04
C p : d	2	−9,67E − 08	1	2,86E-09	−1,91E − 07
C p	à T  = 300 K					75,3264	J / (mol · K)
Fusion H	2	0,9080	1	4,1890	6,0050	5,1250	kJ / mol
H vap	2	2,3730	1	8,9720	13,7180	29.0180	kJ / mol
η a	2	548,2900	1	340,3500	1436,9300
η b	2	−1,7190	1	−0,3500	−3,7880
η	à T  = 300 K					0,0002942	Pa · s

Les références

Liens externes

• Outil de dessin moléculaire et d'estimation de propriétés en ligne avec la méthode Joback
• Estimation immobilière en ligne avec la méthode Joback