Des millions de réactions chimiques sont décrites dans des bases de données sous la forme de transformations de graphes moléculaires. Cette thèse propose différentes méthodes de fouille de donnés pour extraire des motifs pertinents contenus dans ces graphes et ainsi aider les chimistes à améliorer leurs connaissances des réactions chimiques et des molécules. Ainsi on commence par montrer comment le problème central de la recherche des schémas de réactions fréquents peut se résoudre à l'aide de méthodes existantes de recherche de sous-graphes fréquents. L'introduction du modèle général des motifs les plus informatifs permet ensuite de restreindre l'analyse de ces motifs fréquents à un nombre réduit de motifs peu redondants et représentatifs des données. Si l'application du modèle aux bases de réactions permet d'identifier de grandes familles de réactions, le modèle est inadapté pour extraire les schémas caractéristiques de méthodes de synthèse (schémas CMS) dont la fréquence est trop faible. Afin de surmonter cet obstacle, est ensuite introduite une méthode de recherche heuristique fondée sur une contrainte d'intervalle entre graphes et adaptée à l'extraction de motifs de très faible fréquence. Cette méthode permet ainsi de déterminer à partir d'exemples de réactions et sous certaines conditions le schéma CMS sous-jacent à une réaction donnée. La même approche est ensuite utilisée pour traiter le problème de la classification supervisée de sommets ou d'arêtes fondée sur leurs environnements puis exploitée pour évaluer la formabilité des liaisons d'une molécule. Les résultats produits ont pu être analysés par des experts de la synthèse organique et sont très encourageants.

Une modélisation analytique de l'hystérésis est développée en utilisant pour la première fois une analogie entre les transformations des états magnétiques et les réactions chimiques. L'aimantation est alors le résultat d'un équilibre thermodynamique obtenu en transposant les résultats de la chimie à la physique des matériaux. Ces modèles sont capables de représenter la loi B(H) scalaire ou vectoriel de tôles FeSi GO ou FeNi à texture cubique. Le modèle statique de l'hystérésis et des modèles de Preisach sont implantés dans le logiciel Flux3D. Ils sont utilisés pour simuler un cas test défini dans le cadre du GDR Sûreté et Disponibilité des Systèmes Electrotechniques. Pour cela, des outils qui permettent de stocker l'information ont été mis en place. Un modèle dynamique de l'hystérésis est élaboré à partir d'un modèle statique. Les phénomènes de l'hystérésis dynamique sont caractérisés par un retard de phase par rapport aux phénomènes statiques.

Ce travail est consacré à la modélisation QSPR des propriétés cinétiques et thermodynamiques des réactions chimiques à l'aide de l'approche Graphe Condensé de Réaction (CGR). Le CGR permet de coder des structures de réactifs et de produits en un seul graphe moléculaire pour lequel des descripteurs moléculaires peuvent être générés.Une base de données contenant plus de 11000 réactions collectées manuellement a été développée puis utilisée dans la modélisation. Les modèles prédictifs ont été construits pour les constantes de vitesse de réactions Diels-Alder, SN2 et E2 ainsi que pour les constantes d'équilibre des transformations tautomères. Ils sont rendus publics via un portail WEB. Une partie de la thèse concerne une étude de mécanique quantique des réactions entre des sydnones et des alcynes contraints pour lesquels la taille du jeux de données n'était pas suffisante pour produire des modèles statistiquement significatifs. / This work is devoted to QSPR modeling of kinetic and thermodynamic properties of chemical reactions using the Condensed Graph of Reaction (CGR) approach. CGR allows encoding structures of reactants and products into one sole molecular graph for which molecular descriptors can be generated. A comprehensive database containing some 11000 manually collected reactions has been developed then used in the modeling. Predictive models were built for rate constants of Diels-Alder, SN2 and E2 reaction as well as for equilibrium constants of tautomeric transformations. They are available for the users via WEB portal. A part of the thesis concerned quantum mechanics studies of reactions between sydnones and strained alkynes for which the size of the dataset was not sufficient to produce statistically meaningful models.

Nous avons étudié les collisions réactives O(1D) + CH4 et O(1D) + H2O d’intérêt atmosphérique et astrophysique à l’aide de méthodes de chimie quantique et de dynamique réactionnelle. Pour la première réaction, des calculs de dynamique quantique à l’aide d’une méthode indépendante du temps ont été entrepris sur une surface d’énergie potentielle existante en considérant CH3 comme un pseudo-atome. Cette approche à dimensionnalité réduite, qualifiée ici de modèle pseudo-triatomique, a permis d’obtenir les probabilités de réaction à un moment angulaire total nul (J=0), puis de calculer les sections efficaces et les taux de réaction par une méthode approchée de type J-shifting. Nos résultats quantiques ont été comparés aux résultats obtenus par une méthode quasi-classique de trajectoires et aux prédictions expérimentales. Ces comparaisons ont, entre autre, validé le fait que la voie de sortie OH + CH3 était la voie principale pour cette réaction. La seconde réaction O(1D) + H2O a été abordée d’un point de vue structure électronique. Nous avons caractérisé les grandes lignes de la surface d’énergie potentielle de H2O2 en tenant compte de tous les degrés de liberté avec une méthode de calcul de haut niveau (MRCI : Multi Reference Configuration Interaction). Ainsi, nous avons pu déterminer avec une grande précision les géométries, les fréquences et les énergies des isomères du système H2O2 ainsi que son diagramme énergétique. A l’avenir, il faudra construire une surface d’énergie potentielle qui sera utilisée pour décrire la dynamique de cette réaction. / We have studied the reactive collisions, O (1D) + CH4 and O (1D) + H2O, of atmospheric and astrophysical interest, using different quantum chemistry methods and reaction dynamics approaches. For the first reaction, quantum dynamical calculations using a time-independent method were carried out on an existing potential energy surface by considering CH3 as a pseudo-atom. This reduced dimensionality approach, i.e. a pseudo triatomic model, yielded the calculation of the reaction probabilities at zero total angular momentum (J = 0). The cross sections and reaction rates have been computed by the approximate J-shifting method. Our quantum results were compared with results obtained by a quasi-classical trajectory method and experimental predictions. These comparisons, among others, have enabled the fact that the channel CH3 + OH was the main exit channel for this reaction. The second reaction O(1D) + H2O has been studied at the level of electronic structure. We have characterized the outline of the potential energy surface of H2O2 , taking into account all the degrees of freedom at a high level calculation (MRCI: Multi Reference Configuration Interaction). Thus, we were able to determine with great accuracy the geometries, frequencies and energies of isomers of the H2O2 system and its energy diagram. In the future, a potential energy surface has to be built to be used in the dynamical calculations for this reaction.

The present work aims at studying the coupling between hydrodynamic fingering instabilities and chemical reactions at the interface between two miscible solutions. Hydrodynamic deformations of interfaces between two reactive fluids as well as flows induced by chemical reactions at the front between two initially steady fluids are encountered frequently in combustion, petroleum, chemical and pharmaceutical engineering. Most of the time, concrete applications imply a very large number of variables so that an understanding of the fundamental processes of chemo-hydrodynamic coupling is out of reach. Our goal is here to analyze a much simpler model system in which only one mechanism of hydrodynamic instability is at play and for which the chemical reactions can be modeled by a one or two-variable model. <p><p>Buoyantly unstable, autocatalytic chemical fronts, are one such model system, which can be used as prototype to study the effects of the coupling between chemical reactions and hydrodynamic fingering instabilities. Fingering processes occur whenever a fluid of high mobility displaces a less mobile one in a porous medium. The initially planar interface looses then stability and a cellular fingering deformation of the interface is observed. Such an instability has been observed, for instance, in the iodate-arsenous acid and chlorite-tetrathionate reactions, autocatalytic redox reactions known to produce a change of density across a traveling front. Fingering happens there when the heavier solution lies on top of the lighter one in the gravity field. <p> <p>Our theoretical contribution to the analysis of fingering of chemical fronts focuses on different points which we detail in this thesis along the following outline. In chapter 2, we introduce fingering phenomena occurring in porous media and distinguish the situation of viscous and density fingering of pure non reactive fluids. Chapter 3 reviews the literature on coupling between fingering and chemical reactions before studying the linear stability conditions as well as nonlinear dynamics of density fingering of isothermal iodate-arsenous acid fronts. This prototype nonlinear redox reaction is the first one on which experimental results on fingering in spatially extended set-ups have been obtained. We next analyze in chapter 4 the density fingering of another front producing autocatalytic system i.e. the chlorite-tetrathionate reaction in order to address the influence of the chemical kinetics on the dynamics observed. The influence of the exothermicity of the reaction is then presented in chapter 5. Eventually, chapter 6 analyzes what happens if the kinetics is now bistable and further compares the situation of both viscous and density fingering of bistable fronts. We then conclude and present suggestions for future work in this subject at the frontier between nonlinear chemistry, hydrodynamics and engineering. <p> / Agrégation de l'enseignement supérieur, Orientation sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Nous élaborons des modèles macroscopiques d'EDP pour les mélanges gazeux réactifs ionisés et nous effectuons diverses études mathématiques puis quelques simulations numériques. On détermine les équations macroscopiques ainsi que des expressions des flux de<br />transport à partir d'un modèle de type Boltzmann par un développement de Enskog. Nous étudions alors les propriétés de symétrie apportées par l'entropie de ces équations couplées avec celles de Maxwell pour obtenir un théorème d'existence locale en temps d'une solution bornée et régulière pour le problème de Cauchy. Nous étudions ensuite un modèle de plasma ambipolaire en considérant la masse de l'électron comme un paramètre. Nous démontrons que la solution globale dépend continument de la masse de l'électron lorsque celle-ci s'annule. Nous calculons enfin des flammes ionisées planes et étirées d'un mélange hydrogène-air et obtenons des structures de flammes typiques avec un faible impact de l'ionisation.

Dans cette thèse, nous développons le modèle phénoménologique optimisé de lessivage chimique in situ (ISL) de l'uranium par l'injection d'acide sulfurique, en prenant en compte la précipitation des espèces non-solubles telles que le gypse, qui réduisent la récupération de l'uranium. Le modèle proposé décrit le transport de masse avec des réactions chimiques hétérogènes entre le liquide et les roches solides, qui mènent à la dissolution des oxydes d'uranium et à la récupération de l'uranium sous forme liquide. Ce modèle comprend à la fois des réactions utiles, qui décrivent la dissolution de divers types d'oxydes d'uranium, et les réactions néfastes qui conduisent à la précipitation des sédiments solides (gypse), dont les flocons couvrent la surface de canaux poreux et réduisent l'efficacité des réactions utiles. Parmi les résultats qualitatifs, nous avons révélé l'existence d'un taux critique de sédimentation de gypse, en dessous duquel la récupération ultime de l'uranium est complète. En revanche, elle tend à une valeur limite inférieure à 100% lorsque le taux de sédimentation est supérieur à la valeur critique. Ce taux de récupération limite dépend de divers paramètres du processus. La théorie et la méthodologie développées dans ce travail peuvent être facilement étendues et appliquées aux autres types de minerais qui sont récupérés par la méthode de lessivage in situ, et autres types de solvant / In the present thesis we develop the optimized phenomenological model of in-situ chemical leaching (ISL) of uranium by the injection of sulfuric acid, with special account for the precipitation of non-soluble species as gypsum, which reduces the uranium recovery. The suggested model describes the mass transport with heterogeneous chemical reactions between liquid and solid rocks, leading to dissolve uranium oxides and recover uranium in liquid form. It includes both useful reactions, describing the dissolution of various kinds of uranium oxides, and detrimental reactions, leading to the precipitation of solid sediments (gypsum), whose flakes cover the surface of porous channels and reduce the efficiency of useful reactions. Among the qualitative results we revealed the existence of a critical rate of gypsum sedimentation, below which the ultimate uranium recovery is complete. In contrast, it tends to a limit value lower than 100% when the sedimentation rate is higher than the critical value. This limit recovery depends on various parameters of the process. The theory and the methodology developed in this work can be easily extended and applied on other type of ores that are recovered by in-situ leaching method and other types of solvents

Motivated by the existence of complex behaviors arising from interactions between chemistry and fluid dynamics in numerous research problems and every-day life situations, we theoretically investigate the dynamics resulting from the interplay between chemistry, diffusion, and fluid motions in a reactive aqueous solution. As a chemical reaction induces changes in the temperature and in the composition of the reactive medium, such a reaction can modify the properties of the solution (density, viscosity, surface tension,…) and thereby trigger convective motions, which in turn affect the reaction. Two classes of convective flows are commonly occurring in solutions open to air, namely Marangoni flows arising from surface tension gradients and buoyancy flows driven by density gradients. As both flows can be induced by compositional changes as well as thermal changes and in turn modify them, the resulting experimental dynamics are often complex. The purpose of our thesis is to gain insight into these intricate dynamics thanks to the theoretical analysis of model systems where only one type of convective flow is present. In particular, we numerically study the spatio-temporal evolution of model chemical fronts resulting from the coupling between reactions, diffusion, and convection. Such fronts correspond to self-organized interfaces between the products and the reactants, which typically have different density and surface tension. Fluid motions are therefore spontaneously induced due to these differences across the front.<p><p>In this context, we first address the propagation of a model autocatalytic front in a horizontal solution layer, in the presence of pure Marangoni convection on the one hand and of pure buoyancy convection on the other hand. We evidence that, in both cases, the system attains an asymptotic dynamics characterized by a steady fluid vortex traveling with the front at a constant speed. The presence of convection results in a deformation and acceleration of the chemical front compared to the reaction-diffusion situation. However we note important differences between the Marangoni and buoyancy cases that could help differentiate experimentally between the influence of each hydrodynamic effect arising in solutions open to the air. We also consider how the kinetics and the exothermicity of the reaction influence the dynamics of the system. The propagation of an isothermal front occurring when two diffusive reactants are initially separated and react according to a simple bimolecular reaction is next studied in the presence of chemically-induced buoyancy convection. We show that the reaction-diffusion predictions established for convection-free systems are modified in the presence of fluid motions and propose a new way to classify the various possible reaction-diffusion-convection dynamics./En induisant des changements de composition et de température, une réaction chimique peut modifier les propriétés physiques (densité, viscosité, tension superficielle,…) de la solution dans laquelle elle se déroule et ainsi générer des mouvements de convection qui, à leur tour, peuvent affecter la réaction. Les deux sources de convection les plus courantes en solution ouverte à l’air sont les gradients de tension superficielle, ou effets Marangoni, et les gradients de densité. Comme ces deux sources sont en compétition et peuvent toutes deux résulter de différences de concentration ou de température, les dynamiques observées expérimentalement sont souvent complexes. Le but de notre thèse est de contribuer à la compréhension de telles dynamiques par une étude théorique analysant des modèles réaction-diffusion-convection simples. En particulier, nous étudions numériquement l’évolution spatio-temporelle de fronts chimiques résultant du couplage entre chimie non-linéaire, diffusion et hydrodynamique. Ces fronts constituent l’interface auto-organisée entre les produits et les réactifs qui typiquement ont des densités et tensions superficielles différentes. Des mouvements du fluide peuvent dès lors être spontanément initiés dus à ces différences au travers du front.<p> <p>Dans ce contexte, nous étudions la propagation d’un front chimique autocatalytique se propageant dans une solution aqueuse horizontale, d’une part en la seule présence d’effets Marangoni, et d’autre part en présence uniquement d’effets de densité. Nous avons montré que dans les deux cas, le système atteint une dynamique asymptotique caractérisée par la présence d’un rouleau de convection stationnaire se propageant à vitesse constante avec le front. Ce front est à la fois déformé et accéléré par les mouvements convectifs par rapport à la situation réaction-diffusion. Nous avons mis en évidence d’importantes différences entre les deux régimes hydrodynamiques qui pourraient aider les expérimentateurs à différencier les effets de tension superficielle de ceux de densité générés par la propagation de fronts chimiques en solution. Nous avons également considéré l’influence de la cinétique de réaction ainsi que de l’exothermicité sur la dynamique de ces fronts. Enfin, nous avons étudié la propagation en présence de convection d’un front de réaction impliquant deux espèces de densités différentes, initialement séparées et réagissant selon une cinétique bimoléculaire. Nous avons montré que la convection modifie les propriétés réaction-diffusion du système et nous proposons de nouveaux critères pour classifier les dynamiques réaction-diffusion-convection.<p><p><p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Dans ce travail nous avons étudié des réactions chimiques sur la surface de deux métaux :le platine et l'or, en utilisant la microscopie ionique à effet de champ électrique (FIM) et la spectrométrie de masse de désorption par champ pulsé (PFDMS). En complément de ces données expérimentales, nous apportons des résultats obtenus par la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). La taille et la morphologie de nos échantillons font qu’ils sont de bons modèles de grains de phase active dans un catalyseur réel.<p>\ / Doctorat en sciences, Spécialisation chimie / info:eu-repo/semantics/nonPublished