Chimie physique-ii

Par Onesmus MUNYATI

African Virtual universityUniversité Virtuelle AfricaineUniversidade Virtual Africana

Chimie Physique 2

Université Virtuelle Africaine �

Note

Ce document est publié sous une licence Creative Commons. http://en.wikipedia.org/wiki/Creative_Commons

Attribution http://creativecommons.org/licenses/by/2.5/

License (abréviation « cc-by »), Version 2.5.


I. Chimie physique 2 ____________________________________________ 3

II. Prérequis / connaissances préalables nécessaires ___________________ 3

III. Volume horaire / temps _______________________________________ 3

IV. Matériel didactique ___________________________________________ 4

V. Justification / importance du module _____________________________ 4

VI. Contenu ___________________________________________________ 5

6.1 Aperçu du module _______________________________________ 5

6.2 Contour / grandes lignes __________________________________ 5

6.3 Représentation graphique _________________________________ 6

VII. Objectifs généraux __________________________________________ 7

VIII. Objectifs spécifiques d'apprentissage ___________________________ 7

IX. Activités d'enseignement et d'apprentissage _______________________ 9

X. Activités d'apprentissage _____________________________________ 15

XI. Glossaire des concepts clés ___________________________________ 92

XII. Liste des lectures obligatoires _________________________________ 96

XIII. Liste complète des ressources multimédia optionnelles ___________ 100

XIV. Liste complète des liens utiles _______________________________ 102

XV. Synthèse du module _______________________________________ 112

XVI. Évaluation sommative _____________________________________ 113

XVII. Références _____________________________________________ 118

XVIII. Notes pour l'évaluation de l'étudiant _________________________ 119

XIX. Auteur du module ________________________________________ 119

Table des maTières


i. Chimie physique 2Par le Dr Onesmus M. Munyaki

ii. Prérequis / connaissances préalables nécessaires

Avant d’entamer le présent module, l’apprenant doit bien connaître les concepts suivants qui ont été traités dans les modules 2 et 3 : la thermodynamique chimique, la chimie des solutions et les réactions d’oxydoréduction.

L’apprenant doit être en mesure de :

- Distinguer les termes employés pour discuter à propos des différentes so-lutions; par exemple, connaître la différence entre les solutions saturées et sursaturées

- Décrire les facteurs qui affectent la solubilité et le degré de dissolution- Expliquer ce que sont les propriétés colligatives des solutions et faire les

calculs nécessaires dans des problèmes en lien avec le sujet - Faire la distinction entre les différentes unités de concentration et savoir bien

les utiliser - Différencier les processus exothermiques et endothermiques- Effectuer des calculs stœchiométriques mettant en jeu des variations de cha-

leur- Prédire de manière qualitative et de manière quantitative la spontanéité des

processus physiochimiques en se basant sur l’enthalpie, l’entropie et l’énergie libre de Gibbs

- Écrire les réactions équilibrées d’oxydoréduction; effectuer des expériences et des calculs reliés aux réactions d’oxydoréduction

iii. Volume horaire/temps120 heures

Temps approximatif consacré à chacun des thèmes

Unité I : Les solutions (20 heures)Unité II : Les colloïdes (15 heures)Unité III : L’équilibre des phases (15 heures)Unité IV : L’électrochimie (20 heures)Unité V : Introduction à la chimie nucléaire (30 heures)


iV. matérielPour pouvoir faire l’ensemble de ce module, la connectivité est essentielle puisqu’elle servira à :

- accéder aux activités d’apprentissage en ligne- accéder aux évaluations en ligne (quiz, tests, travaux et expériences)- participer aux interactions multimédia (y compris les vidéoconférences)- profiter de la bibliothèque virtuelle (e-Library) ainsi que des bases de don-

nées- participer aux discussions interactives en groupe et aux sessions de clavar-

dage- accéder à une bibliothèque et à un centre d’enseignement individualisé- accéder au matériel de référence et aux manuels recommandés (sites Internet

qui contiennent du matériel didactique)

V. Justification / importance du moduleLe module « Chimie physique 2 » porte sur cinq domaines de la chimie physique qui sont importants dans plusieurs aspects de notre vie. Ces domaines sont : les so-lutions, les colloïdes, l’équilibre des phases, l’électrochimie et la chimie nucléaire. Premièrement, les solutions sont souvent nécessaires afin de faciliter plusieurs réac-tions chimiques dans les processus vitaux ou dans les industries. Deuxièmement, les colloïdes ont de nombreuses applications dans les industries (pour les produits pharmaceutiques, la nourriture et les boissons, les peintures, les adhésifs, les cos-métiques, l’encre, etc.). Troisièmement, plusieurs substances existent sous plusieurs états physiques; les états les plus communs sont : l’état solide, l’état liquide et l’état gazeux. Chacune de ces phases a des propriétés physiques particulières. Quatrième-ment, l’électrochimie nous permet de comprendre certains processus biologiques. Les applications de l’électrochimie sont aussi très diversifiées et ont une grande im-portance économique. De plus, plusieurs processus vitaux impliquent des réactions électrochimiques. La corrosion du fer, le blanchiment des taches et la photosynthèse sont des exemples de réactions électrochimiques. Cinquièmement, même si les noyaux de plusieurs isotopes sont stables, quelques uns d’entre eux sont instables et subiront des « réactions nucléaires ». De telles réactions peuvent être utiles pour générer de l’énergie ou pour la médecine nucléaire, mais elles peuvent aussi être dangereuses dans le cas des armes de destruction massive - les armes nucléaires.


Vi. Contenu

6.1 Aperçu du module

Ce module approfondit les concepts introduits dans le module « Chimie physique 1 ». Le module de Chimie physique 1 portait principalement sur la théorie cinétique moléculaire, la thermodynamique et la cinétique chimique. Le module de Chimie physique 2, quant à lui, a trait aux solutions et colloïdes, à l’équilibre des phases, à l’électrochimie et à la chimie nucléaire. En ce qui concerne les solutions, nous exa-minerons essentiellement le comportement des mélanges homogènes qui mettent en jeu des substances pures. Nous allons aussi étudier les colloïdes, qui diffèrent des solutions uniquement en termes de dimensions du soluté. La partie sur l’équilibre des phases est consacrée aux transformations physiques des substances pures. Les concepts d’énergie et d’entropie seront appliqués à l’équilibre physique entre les phases d’une ou de plusieurs substances pures, et ce, dans différentes conditions de température et de pression. En électrochimie, nous nous concentrerons sur les systèmes chimiques qui impliquent le transfert d’électron ou d’espèces chargées, c’est-à-dire les réactions d’oxydoréduction. Enfin, la chimie nucléaire étudie les processus qui sont associés au noyau. Les noyaux de certains isotopes sont instables et subissent la désintégration spontanée en émettant des rayonnements ionisants et non-ionisants. Nous allons examiner pourquoi certains processus nucléaires se produisent et comment de tels processus peuvent être gérés dans le cadre d’applications pacifiques.

6.2 Contour / grandes lignes

Unité I : Les solutions (20 heures)

- Types de solutions- Propriétés physiques des solutions- Forces intermoléculaires et processus de dissolution- Solutions idéales- Effets de la température et de la pression sur la solubilité- Propriétés colligatives

Unité II : Les colloïdes (15 heures)

- Classification des colloïdes- Préparation et purification des colloïdes- Stabilité des colloïdes- Propriétés des colloïdes


Unité III : Équilibre des phases (15 heures)

- Les composants- Degrés de liberté- Règle des phases de Gibbs- Diagrammes de phases- Système à composants multiples

Unité IV : Électrochimie (20 heures)

- Cellule électrochimique- Potentiel d’électrode- Énergie libre et potentiel de cellule

Unité V : Introduction à la chimie nucléaire (30 heures)

- Phénomène de la radioactivité- Taux de désintégration radioactive- Stabilité nucléaire- Interaction du rayonnement avec la matière

6.3 Représentation graphique

Physical Chemistry 2

Solutions

Colloids

Equilibrium of Phases

Electrochemistry

Introduction to Nuclear Chemistry

Équilibre des phases

Introduction à la chimie nucléaire

Électrochimie

Les colloïdes

Les solutions

Chimie physique 2


Vii. Objectifs généraux

À la fin de ce module, l’apprenant doit être en mesure de :

- Expliquer les forces motrices dans les processus de dissolution- Expliquer l’effet de la température et de la pression sur la solubilité- Fournir une explication thermodynamique du phénomène de mélange- Définir et expliquer les propriétés colligatives des solutions- Définir et expliquer l’état colloïdal- Expliquez les facteurs qui influencent la stabilité colloïdale- Dessiner et expliquer des diagrammes de phases simples- Utiliser le concept des réactions d’oxydoréduction pour expliquer les réactions

électrochimiques- Prédire la spontanéité d’une réaction lorsque les potentiels de réduction stan-

dards sont connus- Utiliser le potentiel de cellule pour déterminer la constante d’équilibre d’une

réaction- Expliquer le phénomène de la radioactivité- Expliquer pourquoi certains éléments sont stables alors que d’autres ne le sont

pas- Effectuer des calculs reliés au phénomène de la radioactivité

Vii. Objectifs spécifiques d’apprentissage (objectifs pédagogiques)

Unité I : Les solutions

À la fin de cette unité, l’apprenant doit être en mesure de...

- Définir et expliquer la nature des solutions- Identifier et distinguer les différents types de solutions- Prédire si deux substances vont se mélanger afin de former une solution en

comparant les forces intermoléculaires impliquées- Comprendre et expliquer les effets de la température, de la pression et de la

polarité des solvants/solutés sur la solubilité- Tenir compte des propriétés colligatives des solutions et effectuer des calculs

qui font appel à ces propriétés


Unité II : Les colloïdes


- Décrire les propriétés des systèmes colloïdaux- Différencier les types de systèmes colloïdaux- Expliquer les facteurs qui affectent la stabilité des colloïdes- Décrire et expliquer les diverses propriétés des colloïdes, comme la diffusion,

l’osmose, la viscosité et les propriétés électriques

Unité III : Équilibre des phases


- Expliquer les concepts de vaporisation, d’ébullition, de pression de vapeur et dire comment ces phénomènes sont affectés par des variables de température et de pression; savoir interpréter des diagrammes de phases

- Calculer toutes les quantités pertinentes dans les diagrammes binaires de phases d’équilibre : nombre de phases, composition des phases

- Interpréter la règle des phases de Gibbs

Unité IV : Électrochimie


- Décrire et expliquer une cellule électrochimique- Représenter les cellules voltaïques par des diagrammes et par de courtes

notations- Utiliser le concept des potentiels de réduction pour expliquer les réactions qui

se produisent à l’anode et à la cathode- Expliquer le potentiel de réduction et faire appel à celui-ci pour prédire la

spontanéité des réactions chimiques- Faire le lien entre la force électromotrice (f.é.m.) et l’énergie libre de Gibbs

Unité V : Chimie nucléaire


- Décrire et expliquer la nature de la radioactivité- Nommer les différents types d’émissions radioactives et énoncer les propriétés

des rayons émis- Effectuer des calculs en utilisant la loi de la désintégration radioactive- Expliquer la relation entre la masse et l’énergie et résoudre des problèmes en

lien avec l’équivalence masse-énergie


iX. activités d’enseignement et apprentissage

9.1 Pré-évaluation

Voici une pré-évaluation qui mesure la compréhension des principes fondamentaux en matière de solutions, de colloïdes, d’équilibres des phases, d’électrochimie et de chimie nucléaire.

Justification

Pour que l’apprenant puisse effectuer les activités de ce module avec succès, certaines connaissances préalables sont nécessaires. Cette pré-évaluation permet à l’appre-nant de prendre conscience de son niveau de préparation par rapport aux sujets qui seront traités. Les questions constituent une évaluation des connaissances acquises précédemment, par exemple les principes des solutions, l’équilibration des équations d’oxydoréduction, la thermodynamique. Ces questions sont en lien avec les concepts qui sont la clé de la compréhension des solutions, des phases d’équilibres, des réactions qui impliquent des transferts de charge et des réactions de niveau subatomique.

Questions

1. Quelle est, parmi les substances suivantes, celle qui exerce la plus haute pression? Donnez la ou les raisons qui justifient votre réponse.

(a) 1 mole de N2 à 273 K dans 11,2 dm–3

(b) 1 mole de N2 à 300 K dans 22,4 dm–3

(c) 1 mole de H2O à 300 K dans 1 dm–3

(d) 1 mole de C4H

10 à son point d’ébullition normal

2. Comment, selon vous les substances données ci-dessous se comporteront dans les solvants indiqués (bref, forte ou faible solubilité)?

(a) HCl dans H2O

(b) HF dans H2O

(c) S8 dans H

2O.

(d) NaNO3 dans l’hexane, C

6H

14

3. Considérez les deux ensembles de mélanges suivants : (a) de l’eau mélangée à du méthanol (ce mélange obéit à la loi de Raoult); (b) de l’eau mélangée à du propan-1-ol (ce qui forme un mélange azéotropique). Avec les informations données, tracez des diagrammes schématiques appropriés pour illustrer le comportement de ces mélanges en utilisant des courbes de pression de vapeur/composition.

Université Virtuelle Africaine �0

4. Soit les informations suivantes sur l’ammoniac :

Point d’ébullition : 240 K Point de fusion : 195,0 K Point triple : 194,9 K Dessinez le croquis d’un diagramme illustrant les changements de phases en

faisant ressortir les points importants.

5. Équilibrez la réaction d’oxydoréduction suivante en utilisant la méthode ion-électron en milieu acide.

Br– (aq) + )(4 aqMnO−

D Br2 (g) + 2Mn2+(aq)

6. Lorsque 193 C d’électricité passent à travers un métal fondu, 1,0 x 10–13 mol d’atomes se déposent sur la cathode. Quel pourrait être le métal déposé sur la cathode?

(a) Cu (b) Pb (c) Ag (d) Zn

7. Quel est, parmi les rayonnements suivants celui qui est non-particulaire?

(a) alpha (b) bêta (c) neutron (d) gamma

8. Quel élément du groupe 18 est naturellement radioactif et n’a pas d’isotope stable?

(a) Ar (b) Kr (c) Xe (d) Rn

9. Soit la réaction :

énergieHeHH 42

21

21 +→+

Quel processus cette réaction représente-t-elle?

(a) fission(b) fusion(c) transmutation artificielle(d) désintégration alpha

Université Virtuelle Africaine ��

10. Combien de jours faudra-t-il pour qu’un échantillon de 12 grammes de I13153 se

désintègre et qu’il reste seulement 1,5 gramme de l’isotope original? (La période

radioactive de I13153 est de 8,07 jours.)

(a) 8,0(b) 16(c) 20(d) 24

Corrigé

1. La solution de ces problèmes prend en compte les propriétés et l’état des subs-tances par rapport à la pression. Les substances (a) et (b) sont des gaz. On peut comparer leur pression en utilisant pV = nRT et en effectuant un calcul.

(a) Pa10x2,02m10x11,2

K273xKmolJ8,314xmol1P 5

33

_11

==−

−

(b) aP10x1.11m10x22.4

K300xKmolJ8.314xmol1P 5

33

_11

==−

−

(c) et (d) Il s’agit de liquides à une température et à une pression données. Dans le cas de (d), à son point d’ébullition normal, la pression de vapeur est de 1,01 x 105 Pa.

2. (a) Étant donné que les deux substances sont des molécules covalentes polaires, la solubilité est forte.

(b) Étant donné que les deux substances sont des molécules covalentes polaires capables de former des liaisons hydrogène, la solubilité sera forte.

(c) Vu que S8 est une molécule covalente non polaire que l’on a placé dans H

2O

(qui est très polaire), la solubilité sera faible.(d) On s’attend à ce que la solubilité soit faible puisque NaNO

3 est un solide

ionique et que C6H

14 est un solvant non polaire.


3.

a) b)

4.

5. La solution s’obtient en suivant les étapes suivantes :

Étape 1 : Assigner des états d’oxydation

Br– (aq) + )(4 aqMnO− D Br2 (g) + 2Mn2+(aq)

-1 +7(-2)+4 0 +2

Étape 2 : Équilibrer les atomes autres que O et H dans les demi-réactions

2Br– (aq) → Br2 (g) réaction d’oxydation

)(4 aqMnO−

→ Mn2+(aq) réaction de réduction


Étape 3 : Équilibrer le O et le H

2Br– (aq) → Br2 (g)

)(4 aqMnO−

+ 8H+ → Mn2+(aq) + 4H2O

Étape 4 : Équilibrer les charges

2Br– (aq) → Br2 (g) + 2e–

)(4 aqMnO−

+ 8H+ + 5e–→ Mn2+(aq) + 4H2O

Étape 5 : Équilibrer les électrons

5 x [2Br– (aq) → Br2 (g) + 2e–]

2 x [ )(4 aqMnO−

+ 8H+ + 5e–→ Mn2+(aq) + 4H2O]

ce qui nous donne :

10Br– (aq) →5 Br2 (g) + 10e–

)(2 4 aqMnO−

+ 16H+ + 10e–→ 2Mn2+(aq) + 8H2O

Étape 6 : Additionner les demi-réactions

)(2 4 aqMnO−

+ 10Br– (aq)+ 16H+ ® 2Mn2+(aq) + 5 Br2 (g) + 8H

2O

6. Nous commençons par calculer le nombre d’électrons qui sont passés, sachant que la charge électrique par mole des électrons, c’est-à-dire la constante de Faraday :

F = 96 485 C/mol e–.


1-3-

1-mol10 x 2

mol C 500 96

C 193=

Par conséquent, la charge exercée sur le métal est de :

2

mol10 x 1

mol10 x 21-3-

-1-3

+=

Le métal pourrait être Cu/Cu2+, Pb/Pb2+ ou Zn/Zn2+, mais ne pourrait pas être Ag+

7. (d) gamma

8. (d) Rn

9. (b) fusion

10. La désintégration radioactive obéit à la cinétique de premier ordre selon la-quelle

jours07,8t21 =

La constante de désintégration, λ, est calculée pour ë

0,693jours07,8t 2

1 ==

λ = 0,086 jour–1

En utilisant l’équation de vitesse intégrée, t x 0.086 - 12.0

1.5 ln =

En résolvant pour t, t = 24 jours

Commentaire pédagogique destiné aux apprenants

Cette pré-évaluation a pour but d’évaluer si l’apprenant est prêt à étudier ce module et à le terminer avec succès. L’évaluation touche aux principes de base comme ceux qui sont en lien avec les forces intermoléculaires et à l’équilibration des équations d’oxy-doréduction. Les apprenants reverront brièvement ces principes au cours du module. Enfin, l’évaluation de concepts qui peuvent sembler nouveaux pour les apprenants, par exemple, l’équilibration de réaction nucléaire, est incluse. L’apprenant qui obtient un résultat inférieur à 60 % devrait relire la section à propos des prérequis/connaissances préalables et réviser les concepts énumérés dans cette section.


X. activités d’apprentissage

Activité d’apprentissage # 1

Titre de l’activité d’apprentissage : Les solutions

Objectifs d’apprentissage spécifiques

À la fin de cette unité, l’apprenant devrait être en mesure de...

- Définir et expliquer la nature des solutions- Identifier et distinguer les différents types de solutions- Prédire si deux substances vont se mélanger afin de former une solution en

comparant les forces intermoléculaires impliquées- Comprendre et expliquer les effets de la température, de la pression et de la

polarité des solvant/soluté sur la solubilité- Tenir compte des propriétés colligatives des solutions et effectuer des calculs

qui font appel à ces propriétés

Résumé de l’activité d’apprentissage

Les solutions sont importantes dans plusieurs processus chimiques. En effet, très souvent, pour qu’une réaction chimique puisse se produire, les particules des réactifs doivent être en contact très intime. Dans la nature, plusieurs substances se trouvent sous la forme de solutions, ces dernières étant des mélanges homogènes comportant un solvant et un soluté. Au cours de cette unité, nous allons étudier le comportement ainsi que les propriétés des solutions. Les facteurs qui favorisent la formation de solutions seront examinés afin de vous aider à prédire si un mélange particulier va se faire de façon à former une solution ou non. Quel rôle les forces intermoléculaires jouent-t-elles dans la formation d’une solution? Quel est l’effet de la température et de la pression sur la solubilité d’une substance? Comment pouvons-nous utiliser la thermodynamique pour expliquer et prédire la formation d’une solution? Cette unité visera à répondre à toutes ces questions ainsi qu’à d’autres questions en lien avec les solutions. Finalement, les propriétés des solutions qui dépendent principalement de la présence d’un soluté, par exemple, les propriétés de l’osmose, de l’abaissement du point de congélation et de l’élévation du point d’ébullition seront étudiées. L’ap-prenant utilisera les connaissances acquises pour effectuer des calculs reliés à ces propriétés.


Liste de lectures obligatoires

- Solutions- Solutions Wikipedia

Liste de liens utiles

• Concepts of Chemistry http://www.wpi.edu/Academics/Depts/Chemistry/Courses/General/conceptt.

html• Chem1 Virtual Text Book http://www.chem1.com/acad/webtext/virtualtextbook.html

Liste de ressources multimédia pertinentes

Ressources multimédia

- Ordinateur avec une connectivité Internet qui permet d’accéder au matériel d’apprentissage « open source », aux sites d’apprentissage interactif, aux courriels, aux vidéoconférences. L’ordinateur doit être équipé de façon à ce qu’on puisse utiliser des cédéroms.

- Logiciel QuickTime Movie Player- Logiciel Shockwave Player- Logiciel Macromedia Flash Player


Description détaillée de l’activité

Tout d’abord, cette activité d’apprentissage commencera par l’étude de la nature d’une solution ainsi que la définition d’une solution. Vous allez ensuite observer les différents types de solution qui existent et découvrir les facteurs qui favorisent la formation d’une solution. Les variations d’énergie impliquées dans le processus de dissolution seront utilisées pour prédire si des substances se mélangeront pour former une solution ou non. Vous allez aussi apprendre comment la présence du soluté af-fecte les propriétés physiques d’une solution que sont la pression de vapeur, le point d’ébullition et le point de congélation.

Évaluation formative

- Au fur et à mesure que vous avancerez dans cette activité d’apprentissage, vous trouverez des problèmes qui permettront d’évaluer votre compréhension du sujet abordé

- Des quiz éclairs sont aussi fournis dans le but de tester votre compréhension- Il y aura des expériences pratiques qui serviront à évaluer votre compréhen-

sion des relations théorie/pratique.- Il y aura enfin des expériences simulées et des exercices permettant de vérifier

que vous comprenez bien certains concepts.

Les solutions sont importantes étant donné que plusieurs réactions chimiques se pro-duisent dans les solutions. En effet, pour qu’une réaction chimique puisse se produire, les molécules doivent entrer en contact. Les solutions permettent aux molécules de différents types d’entrer en contact direct, ce qui facilite les réactions chimiques. L’étude des solutions est importante vu que la plupart des réactions, qu’elles soient en laboratoire, dans les industries ou dans les organismes vivants, se produisent dans des solutions. L’étude des solutions fournit aussi une façon pratique et précise d’in-troduire une substance dans un système réactionnel. Lorsqu’une substance se dissout, les forces d’attraction existantes sont brisées, puis de nouvelles forces d’attraction se forment entre la substance solide dissoute et, par exemple, le liquide. Les forces intermoléculaires entre les molécules du soluté et du solvant influencent les propriétés d’une solution. Certaines propriétés physiques d’une solution dépendent largement de la concentration du soluté plutôt que de l’identité de celui-ci. Ces propriétés sont connues comme étant les propriétés colligatives et sont utiles pour déterminer les masses molaires des grosses molécules. Plusieurs processus biologiques sont fondés sur les propriétés colligatives des solutions, par exemple : l’osmose, qui est le principe derrière la dialyse rénale.


1.1 Qu’est-ce qu’une solution?

Une solution est un mélange homogène entre deux substances ou plus. Les solutions peuvent être à l’état solide, liquide ou gazeux. Un mélange homogène est un mélange physique qui implique deux substances pures ou plus dont la distribution est uniforme partout dans ce mélange. Lorsqu’une solution se forme, les molécules du soluté sont séparées et se mélangent par la suite avec les molécules du solvant. Le constituant majeur d’une solution est le solvant, tandis que le constituant mineur est le soluté. Des forces intermoléculaires existent entre les molécules du solvant et celles du soluté. Même si nous imaginons habituellement les solutions comme étant liquide, elles peuvent, en réalité, être un mélange d’un soluté gazeux, liquide ou solide dans un solvant liquide, solide ou gazeux.

1.2 Quelle est la force motrice qui permet la formation des solutions?

Le processus de dissolution est essentiellement un équilibre entre les diverses va-riations d’énergie qui ont lieu lorsqu’un soluté est placé dans un solvant. De par vos connaissances en thermodynamique, vous savez que les variations d’énergie qui mènent à une énergie plus basse du système ont tendance à être plus favorisées. Dans le processus de dissolution, deux étapes doivent être considérées en ce qui a trait aux variations d’énergie. Premièrement, le soluté doit être introduit dans le solvant; les molécules doivent s’éloigner les unes des autres avant d’être dispersées dans le solvant. Cette étape peut, par conséquent, être considérée comme étant défavorable à la formation d’une solution. Le fait que la dispersion du soluté se produise ou non dépend du type d’interactions solvant-soluté. La formation d’une solution est favorisée dans solvant-soluté (A-B) si les forces intermoléculaires entre le soluté et le solvant sont plus grandes que les forces entre le solvant lui-même (A-A) et que les forces entre le soluté lui-même (B-B). Cela mène à un état d’énergie potentielle plus basse au moment où la solution se forme et est donc énergétiquement favorisé. La formation d’une solution est favorisée si, au bout du compte, le passage entre les deux étapes est exothermique.

Barrier removed

F ig ure 1. 1 The diagram shows two gases initia lly separated by a b arrier. Rem oval of the b arrier leads to spon taneous mixing of the t wo gases

Figure 1.1 L’illustration montre deux gaz qui, au départ, sont séparés par une barrière. Le retrait de la barrière entraîne un mélange spontané des deux gaz.


Cependant, comme vous l’avez appris en thermodynamique, le fait qu’il y ait une augmentation ou une diminution du désordre au niveau moléculaire (variation d’en-tropie) doit être pris en considération. Une augmentation du désordre favorise le pro-cessus de dissolution. La formation spontanée de solution gazeuse illustre bien le fait que l’augmentation du désordre soit une grande force motrice dans la formation des solutions. Considérons deux gaz qui, au départ, sont séparés en deux compartiments par une barrière comme l’illustre la figure 1. Une fois la barrière enlevée, les deux gaz se mêlent spontanément pour former un mélange homogène, plus précisément une solution.

1.3 Types de solutions

Dans la nature, la matière se trouve sous trois états : l’état solide, l’état liquide et l’état gazeux. Les solutions peuvent aussi être sous les trois états physiques présentés en fonction de l’énergétique de la formation de la solution. Le tableau ci-dessous fournit un résumé des variations d’énergie pour différents types de solutions.

Tableau 1 : Tableau illustrant les mélanges possibles solvant-soluté ainsi que les variations d’énergie et d’entropie qui y sont associées

Solvant Soluté Énergie requise pour disperser le soluté

Énergie pour la dis-solution (disperser le soluté)

Augmentation du désordre

Gaz Gaz 0 0 Grande

Gaz Liquide ou solide Grande 0 Grande

Liquide Gaz 0 Variable Diminue

Solide Gaz 0 Endothermique Diminue

Liquide Liquide Variable Variable Modérée

Le mélange de différentes substances apporte invariablement un grand désordre dans les systèmes et est accompagné d’une augmentation du volume. En général, la température tend à favoriser l’augmentation du désordre ou de la stochasticité.

Les exemples de solutions mettant en jeu différents états de matière sont nombreux dans la nature. Le tableau 2 présente des exemples courants de solutions dans leurs différents états.


Tableau 2 : Exemples correspondant à différents types de solutions

Composant 1 (solvant)

Composant 2 (soluté)

État de la solution qui en résulte

Exemples

Gaz Liquide Liquide Eau gazéifiée (dioxyde de carbone dans l’eau)

Solide Solide Solide Soudure (Sn/Pb)

Gaz Solide Solide Gaz hydrogène dans Pd

Gaz Gaz Gaz Air

Liquide Liquide Liquide Alcool dans l’eau

Solide Liquide Liquide Eau salée

Problème pratique 1

Quel choix parmi les suivants représente un mélange homogène?

(a) NaCl (s)(b) NaCl (l)(c) NaCl (g)(d) NaCl (aq)

1.3.1 Solutions gazeuses

Les solutions gazeuses sont obtenues en mélangeant des gaz pour former un mélange homogène. Tous les mélanges gaz-gaz sont des solutions de gaz. L’air que nous res-pirons est une solution naturelle de gaz qui comprend, entre autres, du dioxygène, du diazote et du dioxyde de carbone comme l’illustre le tableau ci-dessous.

Tableau 3 : Abondance en pourcentage de certains gaz dans l’air

Gaz Pourcentage (%)

Azote (N2) 78

Oxygène (O2) 21

Eau (H2O), dioxyde de carbone (CO2) Variable


Les quantités d’eau et de dioxyde de carbone sont influencées par de nombreux fac-teurs comme la température, le temps qu’il fait, l’altitude, etc.

L’énergie requise pour mélanger des gaz est très faible et l’augmentation du désordre est favorisée à toutes les températures. De plus, beaucoup de gaz sont miscibles en toutes proportions.

1.3.2 Les gaz dans les solutions liquides

Lorsqu’un gaz est introduit dans un liquide, il est confiné à un volume plus petit et une diminution du désordre se produit, c’est-à-dire que le processus de dissolution n’est pas favorisé. Par conséquent, pour que la dissolution d’un gaz dans un liquide se produise, il faut qu’il y ait d’autres facteurs qui compensent : par exemple, si le gaz réagit de façon chimique avec le solvant comme c’est le cas lorsque le dioxyde de carbone, l’acide chlorhydrique ou l’ammoniac se dissolvent dans l’eau. Même si le fait d’introduire ces gaz dans un liquide entraîne une diminution du désordre, la variation d’énergie associée à la réaction contrebalance ensuite l’effet défavorable du désordre au départ.

Effet de la température sur la solubilité des gaz

La solubilité de la plupart des gaz diminue lorsque la température augmente. Par exemple, on sait que le dioxygène et le diazote, deux constituants majeurs de l’air, diminuent lorsque la température augmente. C’est pour cette raison que plusieurs types de poissons peuvent seulement survivre en eau froide : l’eau chaude fait baisser la quantité d’ de dioxygène dissous dans l’eau. Des comparaisons des données sur la solubilité de certains gaz à différentes températures sont présentées dans le tableau 4. La solubilité est en grammes par 100 g d’eau lorsque l’espace gazeux au-dessus du liquide est saturé de gaz et que la pression totale est de 1 atm.

Tableau 4 : Données comparées à propos de la solubilité des gaz N2, O

2 et CO

2

GazTempérature (°C)

0 20 50 100

N2 0,0029 0,0019 0,0012 0

O2 0,0069 0,0043 0,0027 0

CO2 0,335 0,169 0,076 0


Le phénomène opposé est souvent observé pour la solubilité des gaz dans les solvants organiques. Dans ce cas, la solubilité augmente en même temps que la température. Par exemple, la solubilité du dihydrogène, du diazote, du monoxyde de carbone, de l’hélium et du néon augmente lorsque la température augmente dans les solvants organiques comme le tétrachlorure de carbone, le toluène et l’acétone.

Les gaz deviennent plus solubles à des pressions élevées

Il est fréquent que, lorsque quelqu’un ouvre une canette de boisson gazeuse, on entende un son de pétillement lorsque le gaz s’échappe. Même si les gaz dans l’air ne sont pas très solubles à la température de la pièce, ils deviennent beaucoup plus solubles à des pressions élevées. La solubilité d’un gaz est bien plus affectée par la pression que par la température. Pour comprendre l’effet de la pression, considérons l’équation suivante de la dissolution d’un gaz :

Gaz + solvant D solution

Une augmentation de la pression dans le système diminue le volume disponible pour le gaz. Selon le principe de Le Châtelier, le système doit effectuer un changement qui contrebalancera le stress créé. Par conséquent, le système réagit de façon à diminuer la pression en diminuant la quantité de gaz. Les molécules de gaz sont absorbées de la phase gazeuse vers la solution. L’équilibre dans l’équation de la réaction ci-dessus est donc déplacé vers la droite, c’est-à-dire que la solubilité augmente.

Si la pression exercée sur la solution est réduite, alors l’effet observé sur l’équilibre est le contraire : certaines molécules de gaz s’échappent de la solution vers la phase gazeuse. L’équilibre se déplace vers la gauche dans l’équation de la réaction. Le son de pétillement du cola ou de tout autre boisson gazeuse est une réaction à la baisse de pression lorsque la canette (ou de la bouteille) est ouverte.

Le chimiste anglais William Henry a énoncé que la solubilité d’un gaz augmente lorsque la pression augmente selon une relation mathématique que l’on appelle la loi de Henry :

C = kPgas

(1.1)

La solubilité d’un gaz dans un solvant particulier est représentée par C. Quant à Pgas

, il s’agit de la pression partielle du gaz. k représente la constante de proportionnalité. La constante de Henry est unique pour chaque gaz.

Logique de la loi de Henry

Dans une solution saturée, le nombre de molécules qui quittent la solution est égal celui qui entre dans celle-ci. La vitesse à laquelle les molécules quittent la phase gazeuse pour aller dans la solution ainsi que la vitesse à laquelle les molécules quit-tent la solution dépendent toutes deux du nombre de molécules par unité de volume.


Lorsque le nombre de molécules par unité de volume est augmenté à l’état gazeux, le nombre de molécules par unité de volume dans la solution augmente aussi. Lorsque la pression est augmentée, le nombre de molécule par unité de volume dans la solution doit aussi augmenter. Il est important de noter, cependant, que la loi de Henry ne tient pas compte des gaz à hautes pressions et du fait qu’il y ait une réaction chimique. La loi de Henry omet aussi la situation lorsque les interactions solvant-soluté sont significativement différentes des interactions soluté-soluté ou solvant-solvant.

F ig ure 1.2 Shows the effect of pres sure on the solubilit y of the gas. The d epth of the co lour is indicative of conc entrat ion of the gas

(1)

(2)

(3)

La Figure 1.2 illustre les effets de la pression sur la solubilité des gaz. L’intensité de la couleur indique la concentration du gaz.

Exemple 2

La solubilité du dioxygène gazeux à 0 °C et à 101 325 Pa est de 48,9 mL par litre. Calculez la molarité du dioxygène dans une solution saturée faite à partir d’eau si le dioxygène est à sa pression normale dans l’air de 0,2095 atm.

Solution

On résout le problème en déterminant tout d’abord la molarité de la solution saturée à la pression et à la température données :

M 10 x 2,18 L 1

O 4,22

O mol 1xL 0,0489

Molarité 3-2

2

==


Selon la loi de Henry,

M10x4,5710x2,18xatm1

M0,2095C

atm0,2095

C

atm1

M 10 x 2,18

P

Ck

kP C

43

3-

gas

gas

−− ==

===

=


Quelle est la concentration à l’équilibre (mg O2 par L) du dioxygène gazeux dans l’eau

douce à 25 °C lorsqu'elle est exposée à de l'air à une pression de 1 atm? La constante de la loi de Henry pour le dioxygène dans l'eau à 25 °C est de 3.0 x 107 atm.

Démonstration visuelle : Forces de cohésion

1.3.3 Liquides dans des solutions liquides

Deux liquides sont plus susceptibles de former une solution si par exemple, pour les espèces A et B, les interactions A-A, B-B et A-B sont semblables. Les forces intermoléculaires dans les deux liquides doivent être semblables. Par exemple, les forces intermoléculaires en jeu pour ce qui est de l’hexane sont principalement des forces de dispersion (faibles forces étant donné qu’elles sont temporairement dipô-les) et c’est sensiblement la même chose chez l’heptane. Par conséquent, les forces intermoléculaires qui existeraient entre l’hexane et l’heptane sont aussi des forces de dispersion. Ces liquides devraient donc être miscibles.

À l’opposé, si les forces intermoléculaires sont plus grandes dans un liquide (par exemple, entre l’hexane et l’eau), les liquides ne formeront pas une solution. L’eau forme de fortes liaisons hydrogène avec les autres molécules d’eau. L’eau aura ten-dance à être miscible avec des liquides qui peuvent former des liaisons hydrogène. Par exemple, l’éthanol et l’eau sont complètement miscibles.


Gas emissions from industries and cars such as sulphur dioxide or nitrogen dissolve in water to form acids, which adversely affects the environment.

SO2

NO2

NO2+ H2O HNO3 SO2+ H2O H2SO4

ACID RAIN

Les émissions de gaz provenant des industries et des automobiles, par exemple le dioxyde de soufre ou le diazote, se dissolvent dans l’eau pour former des acides, qui affectent l’environnement de façon négative.

1.3.1 Considérations énergétiques - se mélanger ou ne pas se mélanger?

Lorsque deux liquides se mélangent, il se produit une augmentation de l’entropie d’une façon assez semblable à celle dont les gaz se mélangent. Par conséquent, l’entropie de mélange est toujours positive. L’énergie libre de mélange pour les deux liquides peut donc être écrite ainsi :

ΔGmix

= ΔHmix

- TΔSmix

(1.2)

Un ΔG négatif favorise le mélange des deux liquides. Pour une solution idéale, la variation d’enthalpie est de zéro et, par conséquent, le mélange est seulement causé par l’entropie positive. Cependant, le mélange de certaines solutions peut être soit exothermique, soit endothermique. Lorsque le mélange est exothermique, celui-ci travaille en synergie avec l’entropie de mélange afin de donner un ΔG encore plus négatif.

Dans le cas où la réaction de mélange est exothermique, la valeur de ΔH devient importante pour la détermination de ΔG. Si la valeur de ΔH

mix est petite, c’est-à-

dire ΔHmix

< TΔSmix

, alors l’expression ΔHmix

- TΔSmix

est toujours négative, mais si ΔH

mix >> TΔS

mix, l’expression ΔH

mix - TΔS

mix devient positive et les liquides ne se

mélangeront pas.

1.3.4 Solutions de solides dans des liquides

Les systèmes de solides dans les liquides sont ceux qui sont rencontrés le plus fréquem-ment chez les solutions chimiques. En introduisant le soluté solide dans la solution, de l’énergie est requise afin de vaincre les grandes forces intermoléculaires qui se


trouvent dans les solides. Comment ces forces sont-elles vaincues? Considérons la dissolution du cristal de NaCl, illustrée à la figure 1.3 :

Figure 1.3 Illustration du processus de dissolution : Dissolution du NaCl

Dans la solution, les molécules d’eau ont tendance à s’orienter de façon à ce que l’extrémité positive du dipôle soit placée vers les ions chlorure (Cl−), alors que l’extrémité négative est dirigée vers les ions sodium. Les ions situés sur les côtés du cristal sont retenus moins fortement et sont donc plus facilement détachables du cristal. Par conséquent, le cristal « s’écaille ». Ce processus se poursuit avec les ions des côtés du cristal qui se dissolvent. Une fois libérés, les ions sont entourés par les molécules d’eau. Nous pouvons expliquer la dissolution des substances non-polaires dans les non-solvants d’une façon similaire. Dans ce cas, les forces d’attraction en jeu sont les forces de dispersion.

Simulation : Dissolution du sel

1.4 La thermodynamique du mélange

Lorsque nous étudions la théorie cinétique des gaz, nous avons vu une propriété nommé « pression partielle » qui est utilisée pour décrire la contribution à la pression totale de chaque gaz. Par conséquent, pour les gaz, les pressions partielles décrivent la contribution d’un composant à la pression totale. Afin de pouvoir discuter des propriétés thermodynamiques des mélanges, nous avons besoin d’introduire une propriété semblable à la pression partielle des gaz. Cette propriété est la « grandeur molaire partielle ». La grandeur molaire partielle dépend de la quantité d’un com-posant particulier dans un mélange. Un exemple courant pour illustrer le concept de grandeur molaire partielle est le volume molaire partiel. En effet, le volume molaire partiel d’une substance A dans un mélange est la variation de volume lorsque 1 mole de A est ajoutée à une grande quantité de du mélange. Le volume molaire partiel de la substance A à une certaine composition est défini comme étant :


BnP,T,AA n

VV ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

∂∂

= (1.3)

où VA représente le volume molaire partiel, où n

A représente le nombre de moles de

la substance A à température et pression constantes et pour une quantité constante de substance B. Supposons qu’une petite quantité des substances A, dn

A et dn

B de B était

ajoutée au mélange, le changement de volume du mélange serait alors donné par :

(1.5)

(1.4)

BBAA

B

T,P,nBA

T,P,nA

dnVdnV

dnnV

dnnV

dVBA

+=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

∂∂

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

∂∂

=

L’expression devient donc V = nAV

A + n

BV

B. Dans cette expression, les volumes mo-

laires partiels des deux substances d’une composition particulière sont connus.

Ce concept peut être étendu aux quantités thermodynamiques comme l’énergie de Gibbs. L’énergie molaire partielle de Gibbs, aussi connue comme étant le potentiel chimique, est représentée par le symbole m

i. Le potentiel chimique mesure la variation

de l’énergie libre (dGi) lorsqu’on additionne ou qu’on enlève dn

i moles de la substance

‘i’ en conservant T, P et les quantités des autres substances (nJ) constantes.

JnPTii n

G

,,⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

∂

∂=m (1.6)

Le potentiel chimique des substances pures illustre comment l’énergie de Gibbs d’un système varie lors de l’ajout d’une autre substance.

Pour les substances pures, l’énergie de Gibbs est donnée par : TP

m

nnG

G,

)(⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛∂

∂=

Il est possible de montrer que l’énergie libre est reliée à la pression par l’équation :


⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛+°=°P

PnRTGG ln (1.7)

D’où le potentiel chimique :

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛°

−°=PP

nRT lnmm (1.8)

Le potentiel chimique montre donc la variation de G lorsque la quantité d’une subs-tance change.

1.5 Potentiel chimique pour un mélange gazeux

Le potentiel chimique d’un gaz pur est donné par l’équation :

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛

°+== °

P

PRTA lnmm

(1.9)

où R est la constante universelle des gaz, où T est la température absolue en Kelvin et où P est la pression du gaz.

Si une autre substance était ajoutée à la substance pure, le potentiel chimique de-vient

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛°

+== °

PP

RT AA lnmm

(1.10)

où PA est la pression partielle du gaz dans le mélange comprenant du A et du B. Le

potentiel chimique pour le composant B peut être écrit d’une façon semblable.


1.6 Énergie de mélange de Gibbs

Pour les deux composants, le système décrit précédemment (à l’équation 1.5), le total de l’énergie de libre de Gibbs du système à deux composants est donné par :

G = nAm

A + n

Bm

B (1.11)

Maintenant, considérons deux gaz purs A et B qui sont placés dans deux contenants séparés avec respectivement n

A et n

B moles.

A B

The two gase s mix when t he barrier is removed

F ig ure 1.4 Depicti ng the mix ing of two gases. Figure 1.4 Illustration du mélange de deux gaz.

Avant de se mélanger, les gaz ont chacun son propre potentiel chimique. Le total de l’énergie de Gibbs avant le mélange est la somme des potentiels chimiques.

Ginitia l = nA mA

° + RT ln PP°

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥+nB mB

° + RT ln PP°

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥

(1.12)

Après que la barrière soit enlevée, les gaz se mélangent de telle sorte que la pression totale est la somme de leurs pressions partielles : P = P

A + P

B. L’énergie de Gibbs

est alors donnée par l’expression :


⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛°

++⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛°

+= °°

PP

RTnPP

RTnG BBB

AAAFinal lnln mm (1.13)

La variation de l’énergie libre de Gibbs lors du mélange est la différence entre l’énergie libre initiale, G

initial, et l’énergie libre finale G

final, c’est-à-dire :

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛°

+⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛°

=DPP

RTnPP

RTnG BB

AAmix lnln

(1.14)

Cette expression peut aussi être écrite en termes de fractions molaires comme ceci :

BBAAmix xln xxRTlnxGÄ += (1.15)

étant donné que ni = x

in et P

i/P = x

i.

1.7 Et qu’en est-il de l’entropie de mélange?

L’entropie de mélange est dérivée de l’expression thermodynamique : – S = (∂G/∂T)P,n. Il découle donc de l’équation (1.15) que l’entropie de mélange est donnée par l’expression :

( )BAAnnTP

mixmix xxxnR

TG

SBA

lnln,,,

B x+−=⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛∂

D∂−=D (1.16)

Selon ce que vous avez appris en thermodynamique, l’énergie de Gibbs est reliée à l’enthalpie par l’expression : ΔG = ΔH – TΔS. Pour le mélange de deux gaz, nous pouvons écrire que Δ

mixG = Δ

mixH – TΔ

mixS, ce qui donne :

Δ mix

H= Δmix

G + TΔmix

S. (1.17)


Si les gaz que nous étudions sont des gaz parfaits, alors, à température constante,

ΔHmix

= 0 selon l’équation (1.15) et (1.16). Ce résultat est important parce qu’il confirme nos attentes selon lesquelles il n’y a pas d’interaction dans les molécules d’un gaz parfait.

Potentiel chimique d’un mélange liquide

La formation d’une solution liquide-liquide peut être perçue comme un phénomène en trois étapes. La première étape est l’introduction du soluté liquide dans le solvant. Les molécules d’un liquide doivent être déplacées afin de faire de la place pour les molécules de l’autre liquide. Les forces d’attraction doivent être vaincues pendant ce processus. Le processus requiert donc de l’énergie (donc, endothermique) et en-traîne une augmentation de l’énergie potentielle du système. La deuxième étape est l’expansion des molécules du solvant pour faire de la place pour le liquide soluté. De l’énergie est aussi requise, ce qui, de la même manière, entraîne une augmentation de l’énergie du système. Lors de la dernière étape, les molécules doivent se mélanger. Les molécules sont attirées les unes vers les autres et libèrent de l’énergie, ce qui diminue l’énergie du système. Selon ce que nous avons énoncé dans la discussion précédente, la variation nette d’énergie est celle qui concerne les trois étapes. La figure 1.5 représente un diagramme d’énergie qui illustre les variations d’énergie lors d’un mélange entre deux liquides.

Si la variation d’énergie (entrée) lors des étapes 1 et 2 est égale à la variation d’énergie (sortie) lors de l’étape 3, la chaleur de dissolution, ΔH

solution = 0. Cet état représente

donc une situation où les forces intermoléculaires du soluté et celles du solvant sont toutes deux les mêmes. Un exemple typique est celui du benzène et du tétrachlorure de carbone. En effet, la solution formée à partir du mélange de ces deux composants s’approche d’une solution idéale.

Figure 1.5 Diagramme illustrant les variations d’énergie lors du mélange de deux liquides.


1.8 Les solutions idéales

μA(g)

A(g), B(g)

μA(l)

A(l), B(l)

Figure 1.6 Le potentiel chimique de la substance pure A sous forme gazeuse, mA(g),

est égal à celui d’un liquide pur A, mA.

Lorsque nous envisageons le potentiel chimique des liquides, nous prenons en considération l’équilibre qui existe entre un liquide et sa pression de vapeur. Nous utilisons le fait qu’à l’équilibre, le potentiel chimique d’une substance dans un liquide est égal au potentiel chimique de la substance dans la vapeur. Considérons un liquide

pur A ayant un potentiel chimique )(* lAm et une pression de vapeur *AP . Le potentiel

chimique de la substance pure A peut être exprimé comme suit :

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

°+= °

PP

RTl AAA

** ln)( mm (1.18)

Si un autre soluté était introduit dans le liquide, alors la pression de vapeur ci-dessous

ne serait plus celle d’une substance pure *AP , mais plutôt celle d’une pression partielle

PA. Le potentiel chimique est donc donné par :

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛°

+= °

PP

RTl AAA ln)( mm (1.19)

En combinant les équations chimiques (1.18) et (1.19), nous obtenons l’équation (1.20), sans le potentiel chimique standard des gaz.


⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

** ln)()(

A

AAA P

PRTll mm (1.20)

Loi de Raoult

Figure 1.7 Diagramme illustrant la variation de la pression de vapeur et de la pression de vapeur partielle d’un mélange idéal binaire.

La loi de Raoult énonce que la pression de vapeur de la solution Psoln

est égale au

produit entre la fraction molaire d’un solvant xsolv

et sa pression de vapeur °SolvP .

PA = x

A°

AP Loi de Raoult (1.21)

Les solutions qui obéissent à la loi de Raoult pour toutes les compositions de compo-

sants sont les solutions idéales. Par conséquent, pour une solution idéale où °

≈A

AA P

Px

le potentiel chimique du liquide devient :

AAA xRTll ln)()( * +=mm (1.22)

ce qui constitue une autre définition d’une solution idéale.


Exercice interactif : la pression de vapeur

Une solution idéale est une solution dans laquelle les forces d’attraction intermolécu-laire dans les deux composants eux-mêmes (soluté et solvant) sont très semblables les unes par rapport aux autres et cela, en plus d’être semblables aux forces d’attraction solvant-soluté dans la solution. Les solutions idéales sont donc celles pour lesquelles l’enthalpie de dissolution est égale à zéro. En d’autres mots, les solutions idéales se produisent lorsque le soluté et le solvant se ressemblent beaucoup - par exemple, le benzène et le toluène; l’hexane et l’heptane; le pentanol et l’hexanol. Si les forces d’attraction diffèrent dans les deux composants et dans la solution, on dit que la solu-tion dévie à la loi de Raoult. Les solutions réelles obéissent à une loi différente, soit la loi de Henry. William Henry a découvert que la pression de vapeur d’une solution diluée est proportionnelle à la fraction molaire, x

B :

PB = x

BK

B Loi de Henry (1.23)

La constante de proportionnalité KB a des unités de pression et est unique pour chaque

gaz. La constante de la loi de Henry dépend de la température et de la combinaison solvant/soluté.

1.9 Propriétés colligatives

Les propriétés colligatives sont des propriétés des solutions qui dépendent seulement de la quantité de soluté présente. Les particules dans la solution peuvent être des ions ou des molécules. Les propriétés colligatives incluent la pression de vapeur, le point d’ébullition, le point de fusion et la pression osmotique. Dans la section suivante, nous allons examiner les effets des solutés sur un liquide et sur les propriétés colli-gatives mentionnées.

Pression de vapeur des solutions

F ig ure 1.8 (a) Liquid-vapour equilibrium with a relati vely rate of vap orisat ion (b) Some solvent molecules have b een replaced with solute molecules. T he rate at which solvent molecules are escaping is lower. Low rate of vaporisation.

(a) (b)

Figure 1.8 (a) Équilibre liquide-vapeur avec un taux de vaporisation relativement élevé. (b) Quelques molécules du solvant ont été remplacées par des molécules du soluté. Le taux auquel les molécules de solvant s’échappent est plus bas. Faible taux de vaporisation.


La pression de vapeur d’un liquide dépend de la tendance que les molécules de solvant ont à s’échapper de la phase liquide. Il s’agit donc d’une mesure directe de la tendance que les molécules ont à fuir la phase liquide pour aller dans la phase gazeuse. Une augmentation du désordre tend à favoriser plusieurs processus dont l’évaporation. L’augmentation du désordre en entrant dans la phase gazeuse est réduite lorsque le solvant est dilué par le soluté. L’incorporation d’un soluté non volatile réduit la tendance que les molécules de solvant ont à s’échapper. La pression de vapeur de la solution diminue au fur et à mesure que la concentration du soluté augmente et que la concentration du solvant diminue. Le nombre de molécules de solvant à la surface est réduit : par conséquent, moins de molécules de solvant quittent le liquide. De plus, les forces intermoléculaires dans la solution sont habituellement plus grandes que celles dans les substances pures elles-mêmes. Le modèle moléculaire de la baisse de la pression de vapeur est illustré à la Figure 1.8.

1.9.1 Élévation du point d’ébullition et l’abaissement du point de congélation

Le point d’ébullition et le point de congélation sont tous deux des propriétés colli-gatives. L’ajout d’un soluté non volatile augmente le point d’ébullition du liquide. Pour les solutions diluées, le point d’ébullition est directement proportionnel à la concentration molale du soluté :

ΔTb = K

bm (1.24)

où Kb est la constante molale du point d’ébullition et s’exprime en Cm–1. La concen-

tration molale exprime le nombre de moles de soluté dans 1 kg de solvant. (1 solution molale contient une mole de soluté par kg de solvant.)

Le point de congélation, quant à lui, diminue à cause de la présence d’un soluté non volatile. Le point de congélation fait référence à la température à laquelle le solide et le liquide existent simultanément. Un équilibre hétérogène existe entre le solvant solide pur et la solution dans laquelle la fraction x

B de mole de soluté est présente. Le point

de congélation est relié à la concentration molale du soluté dans l’expression :

ΔTf = K

fm (1.25)

où Kf représente la constante d’abaissement du point de congélation en unités

°Cm–1.


1.9.2 Osmose

L’osmose est le mouvement de la matière à travers une membrane semi-perméable dans laquelle les pores permettent le passage des molécules de solvants, mais sont trop petits pour laisser passer les molécules de soluté. Le processus d’osmose, il-lustré à la Figure 1.9, est particulièrement important chez les organismes vivants : en effet, divers mélanges et solutions sont séparées par des membranes dans leur corps. De plus, plusieurs cellules végétales et animales sont faites de membranes semi-perméables.

Considérons une cellule qui consiste en deux compartiments séparés par une mem-brane semi-perméable : un de ces compartiments contient une solution diluée et l’autre contient de l’eau pure. De plus, il y a la même hauteur de liquide dans les deux compartiments. Après un certain temps, le niveau de liquide dans le compartiment de gauche s’élève tandis qu’il diminue du côté droit.

Les molécules d’eau, à droite, se déplacent vers la gauche alors que le soluté est re-tenu du même côté. À un certain point, le mouvement du solvant cesse à cause d’une pression qui empêche les molécules de passer : la pression osmotique (p).

M

cRT=p

où c représente la concentration en g L−1, où R est la constante des gaz, où T repré-sente la température absolue et où M représente la masse molaire.

Exercice interactif : les propriétés colligatives

Semi-per meab le membra ne

Solven t molecules

Solut e molecules

P + ∏

P

F ig ure 1.9 Diagram showing the migration of water m olecules from the right hand side to the left. The large solu te molecu les remain on the left hand side.

Figure 1.9 Illustration montrant la migration des molécules d’eau du côté droit vers le côté gauche. Les grosses molécules de soluté demeurent du côté gauche.


Exemple 3

L’albumine est une protéine du plasma humain; elle a une masse molaire de 69 000 g mol–1. Quelle serait la pression osmotique d’une solution, à 25 °C, qui contiendrait 2,0 g de cette protéine par 100 mL? Assumez que l'expérience est effectuée en utilisant une solution saline comme solvant ainsi qu'une membrane soluble au sel.

Solution

Nous avons défini la pression osmotique comme étant la force qui doit être appli-quée pour empêcher uniquement la circulation osmotique. La pression osmotique est donnée par l'équation :

M

cRT=p

Nous substituons les informations données aux variables de l’équation :

atmx

molgKxmolatmLxLg

3

1

11

1008,7

00069

298082,020

−

−

−−

=

=p


L’insuline régule le métabolisme du glucose. Une solution de 2,0 g d’insuline dans 250,0 mL d’eau a une pression osmotique de 26,1 torr à 30oC. Quel est la masse moléculaire de l’insuline?

(a) 7,5 x 103 (b) 5,8 x 103 (c) 3,4 x 103 (d) 4,2 x 103 (e) 6,8 x 103



Titre de l’activité d’apprentissage : Les colloïdes


- Décrire les propriétés des systèmes colloïdaux- Différencier les types de systèmes colloïdaux- Expliquer les facteurs qui affectent la stabilité des colloïdes- Décrire et expliquer les diverses propriétés des colloïdes, comme la diffusion,

l’osmose, la viscosité et les propriétés électriques des systèmes colloïdaux


Cette activité d’apprentissage porte sur les colloïdes et leurs propriétés. Par définition, les colloïdes sont des solutions ayant des particules d’une taille située entre certaines valeurs précises. De plus, les colloïdes possèdent des propriétés caractéristiques. Le système colloïdal est un système homogène qui contient une phase dispersée de l’ordre de 50 -2000 Å dans une phase continue. Les colloïdes existent dans plusieurs produits soit naturels, soit synthétiques. Les colloïdes ont aussi leurs propres propriétés, qui sont reliées principalement à la taille et à la surface des particules. Au cours de cette activité, les apprenants exploreront les systèmes colloïdaux, les types de colloïdes et comprendront comment les systèmes colloïdaux sont fabriqués. Étant donné que les systèmes colloïdaux sont en partie définis par les dimensions, il est important que les dimensions de la phase dispersée soient maintenues dans les valeurs colloïdales. Ainsi, les facteurs qui affectent la stabilité colloïdale seront aussi examinés. Les propriétés uniques des colloïdes, comme les propriétés électriques et les propriétés de surface seront aussi présentées. Les colloïdes sont particulièrement intéressants pour l’étude du phénomène de surface puisque leur rapport surface/volume est très grand. Par conséquent, les propriétés des colloïdes sont dominées par les événements qui se produisent à leur surface.


- Colloids- Interfaces, Colloids and Gels


- Experiments On Surface Phenomena And Colloids http://www.funscience.com- Colloids http://ull.chemistry.uakron.edu/genobc/Chapter_07/







L’étude des colloïdes commence en établissant la nature des colloïdes et en énonçant les différents types de systèmes colloïdaux qui existent, soit les systèmes lyophiles et lyophobes. La méthode de base qui est utilisée pour produire les systèmes col-loïdaux sera présentée, puis les facteurs qui affectent leur stabilité seront expliqués. Vous apprendrez aussi comment les systèmes colloïdaux peuvent être stabilisés pour qu’ils maintiennent leurs caractéristiques et leurs propriétés colloïdales. Les proprié-tés associées aux colloïdes, par exemple les mouvements browniens, la diffusion, la pression et la viscosité, seront étudiées. L’effet de l’adsorption d’espèces chargées sur les surfaces des particules colloïdales sera aussi examiné.



- Des quiz éclairs sont aussi fournis dans le but de tester votre compréhen-sion

- Il y aura des expériences pratiques qui serviront à évaluer votre compréhension des relations théorie/pratique.

- Il y aura enfin des expériences simulées et des exercices permettant de vérifier que vous comprenez bien certains concepts.

Activités d’apprentissage

Les colloïdes sont une classe de matières que l’on retrouve dans une grande variété de produits qui vont des cosmétiques à la nourriture et de la peinture aux médicaments. Les matières colloïdales incluent des solides, des liquides émulsionnés, des argiles, des gels et des protéines. Les systèmes colloïdaux consistent en de petites particules dispersées dans une phase continue. Même si elles sont des agrégats d’atomes ou de molécules, les particules colloïdales ne sont pas habituellement visibles au microscope optique. Il faut noter, cependant, que les limites de grandeurs sont plutôt arbitraires et que quelques systèmes peuvent contenir des particules qui sont en dehors des li-mites de grandeurs. La vaste interface créée entre les particules et la phase dispersée est une caractéristique prédominante des systèmes colloïdaux : la surface de contact dépasse de beaucoup le volume égal de particules. Par exemple, le platine colloïdal est un catalyseur efficace étant donné qu’il absorbe les réactifs à sa surface. Enfin, la couleur d’un système colloïdal est affectée ou reliée à la grosseur des particules. L’or, par exemple, donne une couleur rouge au sol, mais devient bleu au fur et à mesure que sa grosseur augmente.


L’antimoine et les trisulfures d’arsenic présentent des changements associés à la grosseur des particules du système colloïdal aussi. Voici maintenant les différences fondamentales entre les concepts ainsi que les définitions qui seront utilisées dans ces unités :

- Une dispersion est un système dans lequel une phase dispersée est distribuée dans une phase continue.

- Les dispersions peuvent être moléculaires, colloïdales ou grossières. La clas-sification d’une certaine dispersion dans un sous-type particulier se fait selon la grosseur des particules de la phase dispersée. Les dispersions moléculaires sont homogènes, tandis que les dispersions colloïdales et les dispersions grossières sont hétérogènes.

- Une dispersion grossière peut être soit une suspension (dans laquelle la phase dispersée est un solide), soit une émulsion (dans laquelle la phase dispersée est un liquide).

- Les propriétés des systèmes dispersés dépendent des propriétés générales des surfaces des composants du système.

2.1 Nature du système colloïdal

Il n’est pas facile de donner une définition précise des systèmes colloïdaux. Une définition qui est fréquemment utilisée est celle selon laquelle les systèmes colloï-daux contiennent deux phases : une phase consistant en de très petites particules supramoléculaires (la phase dispersée), qui, comme son nom l’indique est dispersée uniformément dans une autre phase (la phase continue ou phase dispersante). Lorsque nous considérons les produits avec lesquels nous interagissons quotidiennement, nous pouvons en identifier plusieurs qui répondent à cette définition. La composition de plusieurs peintures et adhésifs est passée d’un mélange hydrocarbure-solvant à une émulsion. La cuisine regorge aussi d’émulsions : par exemple, la mayonnaise et la crème. De manière plus spécifique, les systèmes colloïdaux sont définis à partir des particules de la phase dispersées. En effet, une dispersion peut être classifiée comme étant moléculaire, colloïdale ou grossière selon la grosseur des particules qui font partie de la phase dispersée, comme l’illustre le tableau ci-dessous :

Tableau 1 Grosseurs moléculaires et types de systèmes de dispersion

Type Grosseur des particules dispersées Types de système

Dispersion moléculaire < 50 Å Système homogène

Dispersion colloïdale < 50-2000 Å Système hétérogène

Dispersion grossière > 2000 Å Système hétérogène


Un mélange de sable et d’eau peut être agité de façon à obtenir un système dans lequel les particules de sable sont dispersées dans l’eau. Pour former une suspension, les particules doivent être d’une grosseur supérieure à 1000 nm. Les systèmes colloïdaux sont classés selon la nature de la phase dispersée et de la phase continue.

Tableau 2 Classification et exemples de types communs de systèmes colloïdaux

Types Phase dispersée Phase continue Exemples

Aérosol Liquide GazInsecticides en vaporisateur, déodorants en bombe aérosol, etc.

Mousse Gaz Liquide Savon liquide, crème fouettéeÉmulsion Liquide Liquide Crème, mayonnaise, peinturesSol Solide Liquide Amidon dans l’eauSol solide Solide Solide Alliage, perlesFumée Solide Gaz Poussière, smog

Les particules des systèmes colloïdaux présentent des mouvements aléatoires sembla-bles aux mouvements erratiques des molécules que vous avez étudiés dans la théorie cinétique moléculaire des gaz. Le mouvement erratique des particules colloïdales est nommé « le mouvement brownien », d’après le botaniste écossais Robert Brown.

2.2 La classification des colloïdes

Selon l’interaction entre les particules de la phase dispersée et les molécules de la phase continue, les colloïdes sont classifiés comme étant soit des colloïdes lyophiles, soit des colloïdes lyophobes, soit des colloïdes d’association.

2.2.1 Les colloïdes lyophiles

Chez les colloïdes lyophyles, il y a de fortes interactions entre les particules colloï-dales et la phase continue, de sorte que le système est thermodynamiquement stable. Plusieurs propriétés de la classe colloïdes lyophiles sont causées par l’attraction entre les particules et la phase dispersée : ces interactions entraînent la solvatation (asso-ciation des molécules de solvant aux molécules de la phase dispersée). Les colloïdes hydrophiles sont ceux pour lesquels l’eau constitue la phase continue. L’attraction entre les particules dispersées et les molécules d’eau provoque l’hydratation des particules, des molécules ou des ions. Les exemples des colloïdes lyophiles incluent la gélatine, l’acacia, l’insuline et l’albumine; ils produisent tous des colloïdes lyophiles dans une phase continue aqueuse. Le polystyrène et le caoutchouc peuvent être dispersés dans des milieux non aqueux (solvant organique).


2.2.3 Colloïdes lyophobes

Les particules des systèmes lyophobes « éprouvent une profonde aversion » envers la phase continue. Il y a peu d’attraction entre les particules de la phase dispersée et celles du milieu continu. Habituellement, les colloïdes lyophobes sont composés de substances inorganiques qui se dispersent dans un milieu aqueux, l’eau. Voici des exemples de colloïdes lyophobes : l’argent, l’or, l’iodure d’argent et le trisulfure de diarsenic. Les méthodes employées pour préparer des colloïdes lyophobes, sont différentes, par nature, de celles utilisées pour préparer les colloides lyophiles. Deux méthodes impliquent soit la dispersion des particules dans la phase continue, soit l’agrégation des particules jusqu’à une grosseur colloïdale.

(a) Les méthodes de dispersion

Les méthodes de dispersion peuvent inclure l’utilisation de générateurs à vitesses hautement soniques qui dépassent 20 000 cycles par seconde ou la production d’un arc électrique à l’intérieur d’un liquide. Dans la méthode de l’arc électrique, le métal de l’électrode est déchargé en vapeur dans la phase continue. Une autre méthode met en jeu le broyage et la pulvérisation de la matière à disperser en utilisant un moulin à colloïdes. Un moulin à colloïdes consiste essentiellement en un disque tournant à haute vitesse qui est séparé d’un disque stationnaire par environ 25 mm. Les particules d'un colloïde peuvent être réduite à 1 mm ou moins. En général, un agent stabilisant doit être ajouté afin d'empêcher l'agglomération des particules colloïdales.

(b) La méthode de condensation

Cette méthode inclut la création de particules de taille colloïdale à partir de la disper-sion moléculaire. Les solutions très concentrées ou très diluées sont utilisées sous des conditions soigneusement déterminées afin d’éviter la formation de grosses particules. La méthode qui vient d’être expliquée est aussi appelée la méthode de précipitation, mais il est possible d’utiliser une autre méthode aussi. En effet, l’hydroxyde ferrique colloïdal peut être formé en faisant bouillir une solution de chlorure ferrique qui produira alors de l’hydroxyde ferrique. Les molécules de la solution d’hydroxyde fraîchement préparée s’aggloméreront ensuite pour former des particules de taille colloïdale.

3FeCl3 D 2Fe(OH)

3 + 6HCl

Le colloïde est stabilisé par les particules qui absorbent l’ion Fe3+ présent dans la solution.


2.2.4 Les colloïdes d’association

Les molécules de savon peuvent s’agglutiner entre elles pour former des agrégats que l’on nomme « des micelles ». Ces molécules possèdent à la fois des composants polaires et des composants hydrophobes. Les molécules de ce type sont connues comme étant des agents de surface, des surfactants, des matières tensio-actives ou des amphiphiles. Les amphiphiles peuvent être à prédominance hydrophile (aimant l’eau) ou à prédominance hydrophobe (détestant l’eau).

Formation de micelles

Les matières tensio-actives possèdent des propriétés inhabituelles. Dans les solutions diluées, les substances hautement tensio-actives agissent comme des solutés normaux. À une concentration assez bien définie, leurs propriétés physiques (par exemple, la pression osmotique, la turbidité, la conductance électrique et la tension superficielle) changent abruptement. Ce brusque changement des propriétés physiques s’explique par la formation d’agrégats que l’on appelle « les micelles ». Les micelles sont des amas, d’une taille colloïdale, qui contiennent des molécules dans lesquelles les extré-mités hydrophobes convergent vers l’intérieur tandis que les composants hydrophiles demeurent sur le pourtour près de l’eau, comme l’illustre le diagramme ci-dessous. La concentration à laquelle la formation de micelles devient appréciable se nomme « la concentration micellaire critique » (cmc). Les micelles qui se forment sont de la taille des particules colloïdales, d’où le terme « colloïde d’association ».

Hydrophobic tail

Hydrophilic end

Micelle

Figure 2.1 Illustration des structures des micelles


2.3 Quels sont les facteurs qui encouragent la formation de micelles?

- L’attraction intermoléculaire entre les chaînes d’hydrocarbures internes re-présente une condition plus favorable énergétiquement

- Les micelles permettent de fortes liaisons eau-eau (liaisons H), ce qui ne pourrait pas se produire si les composants des micelles étaient en solution en tant que molécules isolées

Quelques facteurs qui nuisent à la formation de structures micellaires

- Augmentation de la partie hydrophobe des molécules tensio-actives dans le milieu aqueux, cmc des surfactants ioniques est environ réduit de moitié par l’addition de chaque groupement « CH

2 ». Chez les surfactants non-ioniques,

la diminution est selon un facteur de 10 pour chaque « CH2 ».

- Diminution de la température. La formation de micelles est un processus endothermique qui se fait en fonction de l’entropie. (ΔH = ΔG + TΔS).

- Addition de sels simples. La répulsion entre les groupes chargés est alors diminuée.

2.4 Stabilité des colloïdes

La stabilité des colloïdes est importante dans, entre autres, l’industrie des aliments et des boissons, l’industrie pharmaceutique et l’industrie des peintures et des pigments. La question que l’on se pose à propos de la stabilité des colloïdes est celle-ci : est-ce que les systèmes peuvent résister à la floculation et à l’agrégation après une longue période de temps? La stabilité dépendra généralement de l’équilibre des forces attrac-tives et des forces répulsives entre les particules lorsque ces dernières s’approchent les unes des autres. La répulsion mutuelle des particules entraînent une dispersion stable. À l’opposé, si les forces répulsives sont faibles ou absentes, alors le système colloïdal cesse éventuellement de fonctionner, ce qui entraîne la floculation, l’agré-gation et la coagulation des particules.

Le mécanisme de déstabilisation d’une dispersion colloïdale commence par le fait que les particules adhèrent les unes aux autres, ce qui forme des agrégats (flocs) qui vont grossir par additions successives. L’agrégation continue des particules entraîne éventuellement la coagulation. La séparation du milieu se produit selon deux modes. Le fait qu’un certain mode soit choisi plutôt qu’un autre dépend des différences de densité entre la phase dispersée et la phase dispersante. Lorsque les agrégats sont plus denses que la phase dispersante, le système se sépare par la sédimentation; tan-dis que lorsque la phase dispersante est moins dense que les agrégats, le système se sépare par crémage. Très souvent, les termes « floculation » et « coagulation » sont interchangeables. Cependant, il y a une petite différence entre ces deux termes : la coagulation n’est pas réversible alors que la floculation (défloculation) l’est.

La stabilité d’un système colloïdal est essentiellement reliée au fait que la grosseur des particules demeure inchangée selon le temps. À l’opposé, la déstabilisation d’un système colloïdal met principalement en jeu des processus qui entraînent la formation de particules plus grosses qu’au départ. L’illustration ci-dessous permet de visualiser ce concept fondamental.


Floccu lation

Sedimentat ion Floccu lation Coagulation

Figure 2.2 Illustration du processus qui entraîne la déstabilisation d’un système colloïdal.

2.5 Les propriétés des colloïdes

Les colloïdes possèdent plusieurs propriétés qui sont principalement en lien avec la grande surface de contact des particules dispersées. Les propriétés des colloïdes peu-vent être classées sommairement ainsi : propriétés cinétiques (mouvement brownien, diffusion, osmose et viscosité) et les propriétés électriques.

(a) Mouvement brownien : Les particules colloïdales sont animées d’un mouve-ment aléatoire erratique. Le mouvement a été attribué au bombardement des particules par des molécules dans la phase continue. Le mouvement est affecté par la grandeur et aussi par la viscosité de la phase continue. Les particules plus petites sont animées de beaucoup de mouvements aléatoires, alors qu’une viscosité élevée diminue le mouvement brownien.

(b) Diffusion : La diffusion est le mouvement spontané des particules d’une région où la concentration est élevée vers une région où la concentration est plus faible. Ce processus est une conséquence du mouvement brownien. La diffusion se produit jusqu’au point où la concentration du système devient uniforme. Le processus de diffusion peut être expliqué en utilisant la première loi de Fick :

dt

dx

dcDSdC =

(2.1)

où dC représente la quantité de substance qui se diffuse en un temps dt le long d’une surface plane qui a une aire de S; quant à dc, il représente la variation de concentra-tion selon la distance parcourue dx. Le coefficient de diffusion, D, est la quantité de substance diffusée par unité de temps le long d’une surface.


Hi g h o s mo tic

pres s ure

Lo w o s mo tic

pres s ure

F ig ure 2.3 Diagram illustrat ing the osmotic process

Figure 2.3 Illustration du processus d’osmose

(c) Pression osmotique : L’osmose est le mouvement des molécules de solvant (eau) à travers une membrane semi-perméable, c’est-à-dire que cette mem-brane est perméable seulement aux molécules de solvant. Le mouvement des molécules de solvant s’effectue à partir d’une région où la concentration de soluté est faible vers une région où la concentration de soluté est plus élevée. On appelle « pression osmotique » la pression exercée par la circulation d’eau à travers la membrane semi-perméable qui sépare les deux solutions ayant des concentrations différentes de soluté. L’équation bien utile qui relie la concentration à la pression osmotique est l’équation de Van’t Hoff :

p = cRT (2.3)

L’équation ci-dessus est particulièrement pratique pour déterminer la masse molécu-laire d’un colloïde à partir de l’autre équation :

p = m/M RT (2.4)


où m est la masse de soluté en grammes par litre de solution et M est la masse mo-léculaire. L’équation peut être réarrangée de façon à donner ceci :

p/m = RT/M (2.5)

La quantité p/m est souvent une fonction linéaire ayant la forme ⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛ += Bmm

RTm

1p

où B est une constante qui dépend du système spécifique soluté-solvant. Cette constante s’applique aux systèmes qui ont une faible concentration de soluté.

(d) Viscosité : Dans un système de fluides, la mesure de la résistance à l’écou-lement est connue comme étant la viscosité. Les études viscosimétriques peuvent fournir de l’information en lien avec la forme et la masse molaire des particules en solution. Pour les dispersions colloïdales diluées, la viscosité est donnée par :

h = h0(1 + 2.5f ) (2.6)

où h0 représente la viscosité de la phase continue et où h représente la viscosité in-

trinsèque de la phase continue avec une fraction volumique de particules colloïdales f. La fraction volumique est le volume de particules colloïdales divisé par le volume total de la dispersion. La fraction volumique équivaut donc à la concentration. Par ailleurs, la viscosité se mesure habituellement en utilisant un viscosimètre à tube capillaire. La viscosité relative est le rapport h/h

0. Voici l’expression utilisée pour

exprimer la viscosité relative :

2.5ö1

ç

çç

0rel +== (2.7)

Tandis que la viscosité spécifique est reliée à la viscosité relative à partir de l’équa-tion :

f5.21 =−

=−=0

0

0p ç

çç

ç

çç s

(2.8)


Cette équation entraîne le fait que le rapport entre la viscosité spécifique et f est une contante, soit :

5.2=ö

ç ps (2.9)

Étant donné que la fraction volumique est reliée à la concentration,

kc

ç p =s (2.10)

où c est la concentration et où k est une constante. Cette équation est souvent exprimée comme une série exponentielle.

2321 ckckks ++=

c

ç p (2.11)

La valeur de c

ç ps peut être déterminée en extrapolant à l’infini la dilution du plan de

c

ç ps contre c.

Les masses molaires approximatives peuvent être facilement déterminées en utilisant l’équation de Mark-Houwink :

[ ] aKM=ç (2.12)

Les constantes K et a sont des caractéristiques d’un système particulier polymère-solvant.

(e) Particules électriques : Les particules colloïdales sont affectées par les char-ges adsorbées à la surface des particules. Les charges sont adsorbées lorsque les particules sont dispersées dans le milieu liquide et qu’une double couche électrique se forme autour de la particule comme l’illustre la figure 2.4 ci-des-sous. Un tel système peut être obtenu en ajoutant un sel, par exemple l’iodure de potassium, à une solution diluée. La stabilité d’un système colloïdal est affectée par la présence et par l’intensité d’une charge sur une particule. La présence d’une charge sur une particule crée un bouclier qui empêche, par répulsion mutuelle, la coalescence des particules. Les sols lyophobes sont


thermodynamiquement instables : la présence de charge électrique apporte de la stabilité à cause des répulsions qui empêchent la coagulation.

++

+

++

+

+

+

++

+

+

+

+

+

−

−

−

−

+ +++ ++

+ +++ ++

+ +++ ++

+ ++

Particle surface

Fixed portion of the double layer

Mobile or diffuse portionBulk solution

Figure 2.4 Illustration de la formation d’une double couche à proximité d’une par-ticule colloïdale. La figure montre la position de la particule, la portion diffuse et la solution principale.



Titre de l’activité d’apprentissage : Équilibre des phases


- Expliquer les concepts de vaporisation, d’ébullition, de pression de vapeur et dire comment ces phénomènes sont affectés par des variables de température et de pression; savoir interpréter des diagrammes de phases

- Calculer toutes les quantités pertinentes dans les diagrammes binaires de phases d’équilibre : nombre de phases, composition des phases

- Interpréter la règle des phases de Gibbs- Décrire le rôle de l’énergie de Gibbs dans la détermination de l’équilibre des

phases d’espèces pures


Dans cette unité, l’apprenant explorera le concept d’équilibre des phases. Une phase est décrite comme étant un échantillon de matière qui possède une composition définie et des propriétés caractéristiques permettant de différencier cette phase des autres phases. Les états de la matière (solide, liquide et gaz) existent dans différentes phases. L’apprenant étudiera la transformation des divers états de matière en fonction de la température et de la pression en consultant des diagrammes de phases. En effet, les diagrammes de phases illustrent les grandes lignes de la transformation d’une subs-tance d’une phase à une autre. De plus, la règle des phases de Gibbs sera présentée et utilisée pour déterminer le nombre de variables qui peuvent être changées indé-pendamment tout en conservant la même phase. À la fin de l’unité, l’apprenant sera capable d’expliquer, de tracer et d’interpréter des diagrammes de phases en insistant sur les points les plus importants de ces diagrammes.

Liste des lectures obligatoires

- Phase Diagrams- Phase Equilibrium And Intermolecular Interactions


- General Chemistry http://www.vias.org/genchem/wrapnt_phase_equilibrium_and_intermolecu-

lar_interactions74.html- Phases Changes http://www.chm.davidson.edu/ChemistryApplets/index.html







Au cours de cette activité, l’apprenant va étudier le concept des phases ainsi que la transformation de ces dernières. L’unité commencera par l’explication de ce qu’on entend par phase, c’est-à-dire que la phase possède une composition définie et des propriétés qui la distinguent des autres phases. L’apprenant examinera ensuite la transition qui se produit entre la phase condensée et la phase gazeuse en utilisant des diagrammes de phase. La règle des phases de Gibbs sera présentée et utilisée dans le but de déterminer le nombre de variables qui peuvent être changées indépendamment tout en demeurant dans la même phase. L’apprenant sera aussi en mesure de tracer et d’interpréter des diagrammes de phases à la fin de cette unité.







3.1 Qu’est-ce qu’une phase?

Le terme « phase » est souvent utilisé comme un synonyme pour « état de matière ». D’une part, les états de matières sont gazeux, liquide et solide. D’autre part, une phase est un échantillon de matière possédant une composition définie et des propriétés uniformes qui distinguent cette phase des autres phases avec lesquelles la phase est en contact. On peut donc parler d’états de matières en différentes phases, c’est-à-dire les phases gazeuses, liquides et solides d’une substance. Un changement dans les phases se produit lorsqu’une substance est convertie d’une phase à une autre à une température caractéristique pour une pression donnée. Par définition, la température de transition est la température à laquelle les potentiels chimiques dans les phases sont égaux. Par exemple, dans la transition de la glace vers l’eau, les potentiels chimiques m (solide) = m (liquide).


Diagrammes de phases

Figure 3.1 Diagramme de phases illustrant les changements dans la phase d’une substance hypothétique

Les diagrammes de phases sont un moyen de représenter les régions de températures et de pressions auxquelles les différentes phases sont thermodynamiquement stables. Les phases présentes dans le système à différents T et P peuvent être représentées de façon pratique en utilisant un plan possédant un axe de température et un axe de pression. Les frontières entre les régions montrent des positions où à une température (T) et une pression (P) les deux phases coexistent en équilibre. Considérons, par exemple, le système hypothétique illustré à la Figure 3.1.

Trois régions peuvent être identifiées dans ce diagramme : ces régions correspondent aux endroits où le solide, le liquide et le gaz sont stables. Le diagramme illustre que la phase solide est stable à basse température et à haute pression, tandis que la phase gazeuse est stable à haute température et à basse pression. Les régions sont séparées par une frontière que l’on appelle une « limite de phase ». Prenons, par exemple, la « pression de vapeur », c’est-à-dire la pression d’une vapeur en équilibre dans sa phase condensée, d’une substance à une température spécifiée. Comme le diagramme l’indique, la pression de vapeur de la substance augmente lorsque la température augmente; en effet, l’élévation de température fait que les molécules ont de plus en plus tendance à s’échapper.


Point triple

Le point triple d’un système est la température et la pression auxquelles toutes les phases (solide, liquide et gazeuse) coexistent. Il représente donc le point où les pha-ses vapeur, liquide et solide sont en équilibre. Le point triple est une caractéristique d’une substance et il se produit à une température et à une pression précises. Enfin, le point triple indique la plus basse température et la plus basse pression à laquelle une substance liquide peut exister.

3.2 Construire des diagrammes de phases

Les diagrammes de phases nous permettent d’examiner les changements que les mélanges subissent lorsqu’ils sont réchauffés ou refroidis. De plus, les diagrammes nous rendent capables de déterminer si deux substances ou plus sont mutuellement miscibles sous un ensemble de conditions données. Par ailleurs, les diagrammes de phases sont importants dans un grand nombre de champs d’application qui vont des semi-conducteurs au raffinage du pétrole. Puisque les diagrammes de phases sont si utiles, il est important de développer des habiletés pour construire ceux-ci. La règle des phases de Gibbs nous aidera à cet effet.

3.3 Règle des phases de Gibbs

La règle des phases est utilisée principalement pour déterminer les degrés de liberté ou le nombre de variables qui peuvent être changées indépendamment tout en conservant la même phase qu’au départ. En se basant sur la thermodynamique, Josiah Willard Gibbs (1876) a déduit une relation entre le nombre possible de degrés de liberté dans un système fermé à l’équilibre. Cette relation est en termes de nombre de phases séparées et nombre de composants chimiques dans un système. Pour un système à l’équilibre, la relation « P + F = C + 2 » s’applique.

Le nombre de phases est indiqué par P. Une phase est une partie physiquement séparable d’un système; cette dernière possède des propriétés physiques et chimi-ques distinctes. Chaque phase consiste en un ou plusieurs composants (C) qui sont chimiquement indépendants des constituants du système. Enfin, un constituant est une espèce chimique (ion ou molécule) présente dans un système. La règle générale des phases est généralement énoncée sous la forme « F = C – P + 2 ». L’exemple ci-dessous aide à illustrer le concept. Considérez les trois points A, B et C indiqués sur le diagramme pour une substance pure.


Temperatu re

Pressure

Sol id Liquid

A

B

C

Figure 3.2 Diagramme de phases montrant les points qui jouent un rôle important dans la transformation de phases

Point A

Le premier point, A, se situe au cœur de la région de la phase liquide. La température et la pression peuvent être changées de manière indépendante et la phase demeurera liquide (bref, à la fois la température et la pression peuvent changer légèrement sans affecter le nombre de phases). Le nombre de composants est C = 1; puisqu’il n’y a qu’une seule phase, P = 1. Par conséquent, le nombre de degrés de liberté est F = 1– 1 + 2 = 2.

Point B

Étant donné que le point B est situé sur une limite de phases, F = 1– 2 + 2 = 1. Il y a seulement un degré de liberté, ce qui signifie que seulement une variable à la fois peut être changée de manière indépendante. Une variable est forcée de changer afin de rester à l’intérieur de la limite de phases. Un exemple typique serait un point situé le long de la frontière du point d’ébullition ou du point de fusion.

Point C

Le point C représente le point triple : toutes les trois phases existent à ce point, donc P = 3. Le nombre de degrés de liberté F = 1 – 3 + 2 = 0. À ce point, aucune variable ne peut être changée sans causer un changement du nombre de phases. Tout changement de température ou de pression entraînera un changement du nombre de phases.

1.3 Diagramme de phases pour un système à deux composants

Les diagrammes de phases qui contiennent plus de deux composants sont fréquents dans le domaine de la chimie. Dans de telles circonstances, la concentration devient un facteur important à prendre en considération. L’exemple le plus simple d’un système de ce genre est un système à deux composants (ou système binaire) où les liquides peuvent se séparer en deux. Considérons un système ayant deux composants, A et B, qui peuvent former des cristaux purs A et B respectivement. Nous pouvons tracer un diagramme de température ou de pression en lien avec la composition. Si la pression est gardée constante, alors seulement deux variables demeurent : la température et


la composition. La courbe de la composition selon la température pour un système binaire benzène-naphtalène est illustrée à la Figure 3.3.

Figure 3.3 Courbe de la composition selon la température pour un système binaire benzène-naphtalène.

Le composant illustré du côté gauche est, par convention, A (dans cet exemple, naph-talène), tandis que le composant du côté droit est B (dans cet exemple, benzène). Le graphique montre deux intersections : une à gauche où la courbe croise l’axe des ordonnées au point du A pur; une autre à droite où l’intersection se produit au point du B pur. Le point le plus bas sur la courbe est le point « eutectique », c’est-à-dire la température de solidification la plus basse possible pour tout mélange des constituants spécifiés. Plusieurs systèmes binaires dans lesquels les liquides sont complètement miscibles et dans lesquels les solides sont insolubles les uns les autres ont des dia-grammes de phases semblables à celui présenté à la Figure 3.3.



Titre de l’activité d’apprentissage : Électrochimie


- Décrire et expliquer une cellule électrochimique- Représenter les cellules voltaïques par des diagrammes et par de courtes

notations- Utiliser le concept de potentiel de réduction pour expliquer les réactions qui

se produisent entre l’anode et la cathode- Expliquer le potentiel de réduction et faire appel à celui-ci pour prédire la

spontanéité des réactions chimiques- Faire le lien entre la force électromotrice (f.é.m.) et l’énergie libre de Gibbs;

effectuer des calculs reliés à ce concept

Résumé de l’activité d’apprentissage :

Cette unité à propos de l’électrochimie traite de l’étude de la circulation de la charge entre la matière. L’électrochimie est importante dans plusieurs entreprises indus-trielles tout comme dans plusieurs processus nécessaires à la vie. Plusieurs réactions électrochimiques sont étudiées à l’interface (ou à la zone de contact) et mettent en jeu essentiellement des transferts ou des gains d’électrons par les différentes espèces (par exemple, les réactions d’oxydoréductions que l’apprenant connaît sûrement déjà). Nous commencerons par nous concentrer sur les processus qui se produisent au niveau atomique lorsqu’un métal est en contact avec un liquide comme l’eau. Il a été observé qu’il y a un mouvement d’ions du métal vers la solution, ce qui crée une double couche. Cependant, une telle différence de potentiel n’est pas facile à mesurer directement. Pour contourner cette difficulté, un concept selon lequel les potentiels des électrodes sont mesurés comparativement à un standard établi sera introduit : ce concept est celui de l’électrode standard à hydrogène. En effet, la tension standard d’une électrode donne une idée de la tendance relative qu’ont les espèces chimiques à gagner des électrons et à subir la réduction. Deux cellules peuvent être associées dans le but de créer une pile électrochimique, cette dernière étant connue sous le nom de pile galvanique ou de pile voltaïque. Les piles galvaniques produisent de l’électri-cité à cause des réactions spontanées qu’il y a dans les demi-cellules. Un lien est fait entre l’énergie libre de Gibbs, le potentiel de la cellule et la constante d’équilibre : non seulement ce lien permet de prédire si les réactions des cellules associées seront spontanée, mais aussi il sert à déterminer la constante d’équilibre.


Liste des lectures obligatoires

- Electrochemistry (Stephen K. Lower)- Electrochemistry (James C. Baird)


• Electrochemistry http://www.chem.queensu.ca/people/faculty/mombourquette/firstyrchem/

electro/index.htm• STEVE MARSDEN’S CHEMISTRY RESOURCES ELECTROCHEMIS-

TRY http://www.chemtopics.com/unit13/unit13f.htm#lecture• Chemistry Experiment Simulations and Conceptual Computer Animations http://www.chem.iastate.edu/group/Greenbowe/sections/projectfolder/si-

mDownload/index4.html


Ressources multimédia





L’apprenant se familiarisera avec le phénomène de transfert de charge aux interfaces ainsi que la formation de la différence de potentiel. Cette connaissance sera ensuite utilisée pour explorer le concept des tensions standards d’une électrode qui sont comparées avec l’électrode à hydrogène. Chez les espèces chimiques, la tendance relative à gagner des électrons fournit une base pour la prédiction de la spontanéité. Le lien entre le travail maximal fait dans une cellule voltaïque et DG sera présenté. Ceci permettra aussi l'association du potentiel des cellules à la constante d'équilibre (par exemple, l'équation de Nernst).



- Des quiz éclairs sont aussi fournis dans le but de tester votre compréhension- Il y aura des expériences pratiques qui serviront à évaluer votre compréhension

des relations théorie/pratique.- Il y aura enfin des expériences simulées et des exercices permettant de vérifier

que vous comprenez bien certains concepts.


L’électrochimie est l’étude du mouvement et de la séparation des charges dans la matière. Les concepts électrochimiques sont appliqués dans les piles qui alimentent plusieurs de nos appareils électroniques, dans les sondes médicales, dans les semi-conducteurs et dans les dispositifs photovoltaïques. L’électrochimie permet aussi de mieux comprendre plusieurs processus biochimiques. En effet, la science de l’électrochimie réunit l’électricité et la chimie. Au cours de cette activité d’appren-tissage, vous examinerez comment l’électricité peut être générée à partir de réactions chimiques ainsi que comment l’électricité peut causer des réactions chimiques. Étant donné que l’électricité met en jeu des mouvements de charge (les électrons), l’étude de l’électrochimie offre une nouvelle perspective des réactions d’oxydoréduction.

La conversion de la chimie en électricité se produit habituellement à l’interface avec les électrodes : souvent, il y a un métal en contact avec une solution de sel ou d’autres composés appropriés solubles dans l’eau. Par conséquent, nous commençons notre étude de l’électrochimie en examinant ce qui se produit à l’interface d’un métal et d’une solution.


Cellules électrochimiques

4.1 Qu’est-ce qui se produit au moment où un métal, comme le zinc, est plongé dans une solution qui contient des ions de zinc?

Considérons une pièce métallique de zinc qui est immergée dans l’eau. Les atomes de zinc à la surface du métal sont attirés dans la solution, mais ils laissent derrière eux leurs électrons. L’augmentation du nombre d’électrons laissés derrière entraîne la constitution d’une charge négative.

Zn(s) → Zn2+ (aq) + 2e–

++

++ ++

++ ++ ++ ++

++

++ ++

++

Figure 4.1 Illustration de la formation d’une double couche à proximité d’une élec-trode de métal.

La constitution d’une charge positive se produit près du métal à cause de la présence des ions Zn2+. Au fur et à mesure que le processus avance, il devient de plus en plus difficile pour les ions zinc de s’en aller puisque la charge négative s’accumule. Le processus est éventuellement interrompu par une sorte d’équilibre qui s’installe. Une double couche électrique est mise en place : dans cette couche, il y a une monocou-che interne d’ions adsorbés ainsi qu’une couche externe qui contrebalance la charge locale. L’étude de l’électrochimie implique généralement l’étude des processus qui se produisent au niveau du métal et de la solution conductrice (électrolyte) ou avec la double couche. Même s’il y a une différence de potentiel qui se met en place entre l’électrode et la solution, la mesure de cette tension n’est pas facile. En effet, pour mesurer une différence de potentiel, il faudrait amener une deuxième électrode de métal, ce qui créerait un nouvel équilibre (causé par l’autre électrode). C’est pour cette raison que les tensions d’une électrode unique ne sont pas directement mesurables.


Une solution à cette difficulté est de mesurer la différence de potentiel entre deux doubles couches. Par conséquent, on s’est mis d’accord sur le choix d’une électrode avec laquelle toutes les autres électrodes seraient comparées. Le système qui a été retenu comme référence est celui de l’électrode standard à hydrogène.

Click Simulation!: Zinc Copper Transfer Simulation

http://www.chem.iastate.edu/group/Greenbowe/sections/projectfolder/simDown-load/index4.html

4.2 L’électrode standard à hydrogène

Figure 4.2 La demi-cellule de l’électrode standard à hydrogène

Pour créer une électrode standard à hydrogène, on immerge une tige métallique de platine dans une solution aqueuse qui contient des ions oxoniums, puis on fait barboter du gaz hydrogène sur la tige. Le platine est le choix idéal étant donné qu’il est inerte. Celui-ci sert à établir un contact électrique avec la solution. La solution doit avoir une concentration de 1 M d’ions oxonium; la pression de l’hydrogène est maintenue à un bar; la température est fixée à 25 °C. Au fur et à mesure que l'hydrogène se répand dans le platine poreux, l'équilibre se met en place entre les molécules d'hydrogène et les ions d'hydrogène en solution.

2 H+(aq) + 2e– H2(g)

Le potentiel de la cellule est pris comme standard et les mesures sont comparées à cet équilibre (électrode). On assigne le potentiel de zéro volt (E°) à l'électrode.

Maintenant qu'on a établi un standard, on peut maintenant connecter une autre élec-trode et mesurer la tension entre deux cellules.


4.3 Potentiels de réduction normaux

Le potentiel de réduction normal est la tendance qu’ont les espèces chimiques à gagner des électrons et, de ce fait, à être réduits. Chaque espèce tend à avoir une tendance intrinsèque à acquérir des électrons. Plus le potentiel de réduction est électropositif, plus la tendance à acquérir des électrons est forte. Tous les potentiels de réduction sont définis par rapport à l’ESH (électrode standard à hydrogène).

Un système dans lequel deux électrodes sont en contact avec une solution conductrice est « une cellule électrochimique ». Observons l’exemple dans lequel une électrode de zinc est associée à l’électrode standard à hydrogène.

Figure 4.3 Diagramme schématique de la cellule électrochimique composée d’une électrode de zinc et d’une électrode standard à hydrogène.

Simulation Click!: Standard Hydrogen Electrode

Exemple 1

Classez les ions suivants en ordre décroissant selon leur facilité à oxyder une autre substance.

Fe3+, F2, Pb2+ et Sn4+

Solution

Les espèces ayant la tendance la plus grande à gagner des électrons (et donc à être réduits eux-mêmes) seront celles qui auront le potentiel de réduction normal le plus positif. Le potentiel de réduction normal peut être obtenu à partir du « Tableau des tensions standards d’une électrode », comme montré ci-dessous.


Fe3+ (aq) + e– D Fe2+ (aq) E° = + 0,77 V

F2(g) + 2e– D 2F– (g) E° = +2,87 V

Pb2+ (s) + 2e– D Pb(s) E° = – 0,13 V

Sn4+ (aq) + 2e– D Sn2+ (aq) E° = + 0,15 V

Voici maintenant les espèces classées en ordre décroissant de leur facilité à être des agents oxydants :

F2 > Fe3+ > Sn4+ > Pb2+


En vous basant sur les demi-réactions données et en assumant qu’elles se produisent à des conditions standards, quel ion parmi les suivants aura la plus grande tendance à réduire une autre substance?

Mg2+ (aq) + 2e– D Mg (s) E° = – 2,35 V

Al3+ (aq) + 3e–D Al (s) E° = – 1,68 V

Cu2+ (aq) + 2e– D Cu (s) E° =– 0,34V

(a) Al3+ (b) Mg2+ (c) Mg (d) Cu2+

4.4 Mesurer la tension standard d’une électrode en métal

Dans la Figure 4.3, chacun des béchers est décrit comme étant une demi-cellule, alors que l’assemblage au complet constitue une cellule électrochimique. La portion extérieure du circuit est créée par un fil conducteur qui relie les deux demi-cellules. Un pont salin est inclus pour compléter le circuit. Celui-ci contient une solution de nitrate de potassium et permet d’éviter l’introduction d’un autre objet métallique dans le système. Les équilibres aux deux électrodes sont :

Zn2+ (aq) + 2e– Zn(s)

2H+(aq) + 2e– H2(g)


Les réactions qui se produisent à chaque électrode sont les « demi-réactions ». Le métal a une tendance plus grande à perdre des électrons et à former des ions que l’hydrogène. Par conséquent, il y aura une plus grande accumulation d’électrons du côté du zinc métallique. La différence des charges entre les deux électrodes -la différence de potentiel- peut être mesurée en utilisant un voltmètre, comme l’illustre la Figure 4.3.

La différence de force électromotrice entre les deux demi-cellules (E°) est donnée par :

°

°

°

°

°

°

°

°

+

++

=

−=

Zn

Zn

/

//

2

22

Zncell

HHZncell

E E

EE E

étant donné que °

° +2HH

E/

= 0 V.

Les potentiels de réduction normaux de plusieurs espèces chimiques ont été déter-minés et peuvent être consultés dans des tableaux de références. En comparant les potentiels de réduction des espèces chimiques, on peut prédire le type de réactions qui est susceptible de se produire à l’intérieur d’une cellule électrochimique (ou d’un système particulier). Les tableaux de potentiels de réduction sont accessibles dans plusieurs sources.

4.4.1 Une électrode de zinc associée avec une électrode de cuivre?

L’électrode standard à hydrogène peut être remplacée par une électrode de cuivre et la différence de potentiel peut être mesurée entre les deux électrodes. Un tel arran-gement est nommé « une cellule galvanique ». La cellule galvanique rend possible l’étude des réactions qui se produisent aux deux électrodes. Les cellules galvaniques (ou voltaïques) produisent de l’électricité provenant des réactions chimiques spon-tanées aux électrodes.

Considérons notre cellule galvanique qui inclut une électrode de zinc et une électrode de cuivre. Les atomes de zinc perdent des électrons et se dissolvent en laissant derrière eux les électrons. Étant donné qu’il y a un circuit extérieur, les électrons qui restent passent à travers le fil extérieur via l’instrument de mesure et se rendent à l’électrode de cuivre. À ce dernier endroit, les électrons se combinent aux ions cuivres II.

Les demi-réactions qui se produisent aux deux électrodes sont :

Zn (s) → Zn2+(aq) + 2e– Oxydation


Cu2+(aq) + 2e– → Cu (s) Réduction

La réaction nette dans la cellule électrochimique de la Figure 4.4 est :

Zn (s) + Cu2+ (aq) → Zn2+(aq) + Cu (s)

V

1 M Zn(NO 3)2 1 M Cu(NO 3)2

Zn Cu

Electron flow

Figure 4.4 Représentation schématique d’une cellule électrochimique ayant une électrode de zinc et une électrode de cuivre.

Les réactions chimiques impliquent une perte d’électrons (oxydation) et un gain d’électrons (réduction). L’électrode où l’oxydation se produit est placée du côté gauche tandis que celle où la réduction a lieu est placée du côté droit.

Simulation Click!: Zinc Copper Electrochemical Cell


4.4.2 Notation rapide des cellules

Au lieu d’utiliser le diagramme complet qui peut être long et fastidieux à faire, on utilise souvent la façon simplifiée de représenter la cellule. Le diagramme de la cellule présentée à la Figure 4.4 peut être écrit comme étant :

Oxidation Reduction

Zn(s)|Zn2+(aq)||Cu2+(aq)|Cu(s)

The vertical line shows The double line the phase boundary represents the salt bridge

Par convention, l’électrode où l’oxydation se produit est l’anode alors que celle ou la réduction se produit est la cathode. La tension de cellule pour la cellule représentée ci-dessus peut être calculé en déterminant la différence de potentiel entre les deux demi-cellules (ou réactions).

°°° −= OxidationReductioncell EEE

°°° −= AnodeCathodecell EEE

Exemple 2

Calculez la tension de cellule pour la cellule électrochimique illustrée à la Figure 4.4. Les potentiels de réduction pour les deux demi-cellules sont présentés ci-dessous.

Zn2+(aq) + 2e– → Zn (s) V 0,76E −=°

Cu2+(aq) + 2e– → Cu (s) V 0,34 E +=°

Le E° pour la cellule est donné par °°° −= OxidationReductioncell EEE . Nous pouvons substituer les potentiels de réductions appropriés afin d’obtenir la valeur du potentiel de cellule.


V 1,100

) 0,76 (- - 0,34Ecell

=

=°


Supposons que la demi-cellule de zinc soit remplacée par une demi-cellule de cad-mium. La tension de la nouvelle cellule électrochimique peut être mesurée et trouvée comme montré ci-dessous :

Cd(s)|Cd2+(1 M)||Cu2+ (1 M)|Cu(s)

Quel est le potentiel de réduction normal pour l’électrode de Cd2+|Cd?

(a) +0,34 (b) – 0,40 (c) 1,08 (d) + 0,40

Nos calculs à partir de l’exemple précédent ont donné une valeur positive comme résultat pour la tension de cellule basée sur l’équation de la réaction telle qu’elle était donnée. La réaction, telle qu’écrite dans le problème, est spontanée si la tension de cellule (ou potentiel de cellule) est positive. Par contre, si la valeur calculée est négative, alors la réaction est non-spontanée.

Les piles faites à partir de légumes ou de fruits comme la patate, le citron ou l’oignon peuvent être assemblées de façon à illustrer les propriétés voltaïques. Les piles faites à partir de différents électrodes ou bien ayant des formes ou des surfaces de contact différentes peuvent avoir des résistances différentes. De l’électricité provenant des légumes?

4.5 Énergie libre et tension de cellule

Dans une cellule voltaïque, du travail est effectué lorsqu’une réaction survient dans la cellule. La quantité totale de travail effectué est reliée à la force électromotrice

(f.é.m.) de la cellule, °cellE , au nombre de moles d’électrons échangés entre les élec-

trodes (n) et à la charge électrique par mole d’électron, cette charge étant représentée par la constante de Faraday (F = 96 485 C/mol e–). Donc, la quantité totale de travail peut être calculée ainsi :

Welectrique

= n x F x °cellE (4.1)


La quantité maximale de travail disponible pour la réaction est en lien avec –DG. Par conséquent, nous pouvons combiner les deux équations pour trouver la relation entre la tension de cellule et l'énergie libre :

DG = – n x F x °cellE (4.2)

4.6 L’équation de Nernst : Ecell en fonction de la concentration

La relation entre la tension de cellule et la concentration est facilement établie par l’entremise de l’énergie libre de Gibbs. Nous avons déjà vu que :

DG = DG° + RT lnQ (4.3)

Pour DG et DG°, nous pouvons substituer respectivement par – nFEcell

et par – nF

°cellE afin d’obtenir :

– nFEcell

= – nF °cellE + RT lnQ (4.4)

Cette équation peut être ré-écrite ainsi :

lnQnF

RT-EE cellcell

°= (4.5)

Q logn

0,0592-EE cellcell

°= (4.6)


Exemple 3

Si Fe2+ est spontanément oxydé par le dioxygène de l’air dans une solution acide, calculez ΔG and K.

Solutions

Deux réactions sont impliquées. Les tensions qui correspondent à ces réactions sont :

Oxydation : 2Fe (s) → 2 Fe2+(aq) + 4e– E° = – 0,77 V

Réduction : O2(g) + 4H+ + 4e– → H

2O (l) E° = + 1,23 V

Tension totale de cellule :

4Fe2+ + O2 + 4H+ → 4Fe3+ + 2H

2O E°

cell = 0,46 V

Notez que la tension totale de cellule est positive, ce qui signifie que le processus est spontané.

L’énergie libre est calculée à partir de l’équation DG = –nFE°cell

. En faisant les subs-titutions E°

cell = 0,46 V et n = 4, nous obtenons :

DG° = – 4 mol × 96485 C/mol × 0,46 V

= – 1,8×105 J

= –180 kJ

La constante d’équilibre est calculée à partir de l’équation DG° = – nRT lnK

KxKmolJmolkJ

RTG

K298314,8

)180(ln

11

1

−−

−−−=

D−=

K = e72.7 = 3,7×1031

Note

La corrosion est un important processus chimique que l’on associe souvent aux mé-taux. Quelques métaux, par exemple l’aluminium, forment des produits de corrosion qui adhèrent au métal et qui protègent ce dernier contre des réactions de corrosion subséquentes. À l’opposé, l’oxyde de fer (la rouille), tombe constamment, ce qui expose de nouvelles surfaces à la corrosion. Le métal se corrode donc de manière continue. La corrosion ou le processus de la rouille est une réaction typique d’oxy-doréduction.



Lorsque des substances ioniques sont placées dans l’eau, l’équilibre s’instaure entre les ions en solution et le surplus en phase solide. Cet équilibre est mesuré par la constante de solubilité K

sp. Déterminez la constante de solubilité pour le chlorure

d’argent à 25 °C en tenant compte des informations suivantes :

AgCl D Ag+ + Cl–

Demi-réactions :

Ag+ + e– → Ag(s) E° = +0,80 V

AgCl + e– → Ag(s) + Cl– E°= 0,22 V

Solution

(a) 6,3 x 10–9 (b) 1,69 x 10–10 (c) 0,00 (d) 2,46 x –20

Électrolyse

Le processus opposé à celui d’une cellule voltaïque se produit dans une cellule élec-trolytique. En effet, la cellule électrolytique, un autre type de cellule électrochimique, utilise l’électricité pour provoquer la réaction non-spontanée. L’électrolyse est un processus très important qui permet la fabrication d’une grande variété de produits industriels :

- L’extraction des métaux, notamment l’aluminium, le magnésium et le so-dium;

- La préparation des halogènes, par exemple le chlore;- Le raffinage des métaux, par exemple le cuivre et le zinc;- L’électroplaquage.

Les gisements de cuivre sont exploités dans de nombreux pays africains, notamment la Zambie.

Visualisez le processus de la production du cuivre


1. Le minerai est chargé dans un camion de 3 000 tonnes pour être transporté vers un concasseur de pierres.

2. Les camions transportent le minerai vers une mine à ciel ouvert (Nchanga open, Zambie).

3. Le cuivre, placé sur un convoyeur, est en route vers la transformation.

4. Fonderie - Des anodes à haute forte teneur en cuivre sont produits à la fonderie de Nkana, Ceinture cuprifère (Zambie). Le processus produit du dioxyde de soufre qui est ensuite converti en acide sulfurique. L’acide sulfurique sert au processus de dégorgement de l’oxyde de cuivre


5. Cellules d’extraction électrolytique - Les plaquettes de cuivre provenant de la fonderie sont ensuite dissoutes dans l’acide sulfurique et envoyés aux cellules d’extraction électrolytiques pour que les plaquettes puissent être plaquées sur les cathodes.

6. C’est maintenant prêt pour la fabrication de la feuille de cuivre pour la cathode.



Titre de l’activité d’apprentissage : Chimie nucléaire


- Décrire et expliquer la nature de la radioactivité- Nommer les différents types d’émissions radioactives et énoncer les propriétés

des rayons émis- Effectuer des calculs en utilisant la loi de la désintégration radioactive- Expliquer la relation entre la masse et l’énergie et résoudre des problèmes en

lien avec l’équivalence masse-énergieLa chimie nucléaire s’intéresse aux processus qui se produisent à un niveau suba-tomique. Tous les éléments proviennent des étoiles, ces dernières incluant le soleil à l’intérieur duquel les éléments lourds sont formés à partir d’éléments plus légers par des réactions de fusion. L’examen des éléments du tableau périodique montre que les éléments ayant un numéro atomique supérieur à 83 sont instables et qu’ils subissent la désintégration radioactive. Cependant, le phénomène de la désintégration radioactive est aussi présent chez certains éléments légers. L’apprenant étudiera les différentes formes de désintégration radioactive ainsi que les facteurs qui influencent le fait qu’un élément soit plus susceptible d’être radioactif ou non. Les éléments se désintègrent en émettant des rayonnements alpha, bêta ou gamma. Chaque type de rayonnement émis possède des propriétés caractéristiques. Quelques unes de ces propriétés sont exploitées dans des applications spécifiques de la chimie nucléaire comme la médecine nucléaire, les techniques d’analyse ou la production d’énergie électrique. Une autre application très utile du phénomène de la désintégration radioac-tive est la technique de datation au radiocarbone, technique qui permet d’estimer de quelle époque proviennent les artéfacts historiques.


- An Introduction To Radioactivity- Nuclear Chemistry


- Nuclear Chemistry: An Introduction http://www.visionlearning.com/library/module_viewer.php?mid=59

- N u c l e a r C h e m i s t r y A n d T h e O r i g i n s O f T h e E l e m e n t s http://www2.wwnorton.com/college/chemistry/gilbert/tutorials/ch2.htm


- Radiation And Radioactivity http://www.physics.isu.edu/radinf/cover.htm

- Nuclear Chemistry http://www.bcpl.net/~kdrews/nuclearchem/nuclear.html










Dans les réactions chimiques traditionnelles, les interactions mettent en jeu les élec-trons de valence qui entourent le noyau. À l’opposé, les réactions nucléaires concernent plutôt les réactions qui sont associées au noyau. La chimie nucléaire s’occupe des processus nucléaires et des propriétés du noyau. Les noyaux de la plupart des élé-ments sont stables et « inconscients » de ce qui se produit à la « surface » de l’atome. Cependant, quelques isotopes sont instables : ils émettent donc du rayonnement. Le rayonnement émis peut être à la fois utile et dangereux. Au cours de cette unité, nous allons étudier les origines des réactions nucléaires et examiner les propriétés qui ressortent de ces réactions.


5.1 Le phénomène de la radioactivité

Les isotopes qui sont instables se désintègrent et relâchent des flux de rayonnement électromagnétique à haute énergie. Ces isotopes sont donc radioactifs. Le phénomène qui caractérise ces derniers est nommé « la radioactivité ». Les réactions nucléaires entraînent la transmutation d’un élément en un isotope différent ou, en fait, en un élément différent. Trois changements nucléaires sont possibles; trois types de rayonne-ments peuvent se produire. Les changements nucléaires et les types de rayonnements seront discutés dans les sections qui suivent.

5.2 Type de rayonnements

Le rayonnement peut être classifié comme étant soit particulaire (formé de parti-cules) ou non-particulaire (électromagnétique). Les rayonnements particulaires et non-particulaires ont tous deux des aspects positifs ainsi que des aspects négatifs. Il est important de comprendre les propriétés des différentes formes de rayonnement et d’être capable d’utiliser ces propriétés de manière judicieuse et appropriée.

5.1.2 Le rayonnement alpha (α)

Le rayonnement alpha est l'émission d'un flux de noyaux d'atomes d'hélium, que l'on

symbolise par +242 He . La masse atomique d’un atome diminue de quatre unités de

masse atomique lorsque l’atome émet une particule alpha. On dit alors que l’élément « se transmute » en un autre élément. Un exemple caractéristique d’une réaction nucléaire de ce genre est la transmutation de l’uranium en l’élément thorium par l’émission d’une particule alpha :

HeThU 42

23490

23892 +→

L’omission de la charge des espèces chimiques permet de concentrer l’attention sur le noyau. À l’opposé, dans les autres branches de la chimie qui se concentrent sur les électrons périphériques, nous indiquons les charges des espèces.

La règle pour équilibrer des réactions nucléaires est différente de celle utilisée pour les réactions chimiques traditionnelles. En fait, une réaction nucléaire se conforme à deux règles :

- La somme des nombres de masse doit être la même des deux côtés de l’équa-tion.

- La somme des numéros atomiques doit être la même des deux côtés de l’équa-tion.


Caractéristiques

Lors de leurs collisions et lors de leurs quasi-collisions en passant à travers la matière, les particules alpha produisent un grand nombre d’ions. Ces derniers ont un faible pouvoir pénétrant et sont arrêtés par une feuille de papier. De plus, ces ions sont po-sitifs; ils sont défléchis par les champs électriques et par les champs magnétiques.

5.2.2 Les particules bêta

Les processus les plus simples mettent en jeu la désintégration d’un neutron libre, lequel est instable à l’extérieur du noyau de l’atome.

+b+→ −01

11

10 pn n

n est une entité nommée « neutrino »

Pendant l’émission bêta, il n’y a pas de changement dans la masse de l’atome étant donné que la particule nucléaire demeure la même. Cependant, le numéro atomique change. En effet, le numéro atomique augmente de 1 puisqu’un neutron se change en un proton. Voici maintenant un exemple typique de désintégration bêta : la désin-tégration de l’isotope du carbone « carbone-14 » en l’élément azote.

e N C 01-

147

146 +→

Caractéristiques

- Défléchis dans les directions opposées aux particules α dans les champs électriques et dans les champs magnétiques

- Plus petits, donc plus fortement défléchis que les particules α¸- Essentiellement des électrons, mais ceux qui proviennent du noyau des atomes

subissent la désintégration nucléaire

Un processus semblable qui est susceptible de se produire met en jeu la conversion d'un proton en un neutron et un positron. L'émission de positron est fréquente chez les noyaux des éléments légers dans lesquels la radioactivité a été induite artificiel-lement.

b+→ +01

3014

3015 SiP


5.2.3 Les rayons gamma (g)

Le rayonnement gamma est émis pendant la désintégration alpha ou la désintégration bêta. Le processus de la désintégration radioactive, pendant lequel des particules α et b sont produites, laisse un noyau dans un état excité. Le noyau perd ensuite une partie de cette énergie sous la forme de rayonnement électromagnétique. Ces rayon-nements sont pénétrants et ne sont défléchis ni par un champ magnétique ni par un

champ électrique. Voici l'exemple-type de la désintégration de U23492 :

HeThU 42

23090

23492 +→

+→ ThTh 23090

23090 rayons g

Figure 5.1 Illustration de la production de rayonnement gamma après une émission alpha

Exemple de problème 1

Écrivez l’équation nucléaire pour représenter l’émission alpha de 222Rn.

Solution

Ce problème requiert la connaissance du concept de l’équilibrage des équations nucléaires. Pour ce problème, l’équation nucléaire peut être écrite ainsi :

222Rn → X + He42

produit inco nnu


Étant donné que la particule alpha contient deux protons, X doit avoir deux protons de

moins que l’élément Rn22286 , c’est-à-dire 86 - 2 = 84. Notre tableau périodique montre

que l’élément ayant le numéro atomique (Z) 84 est le polonium, 84

Po. Pour trouver le nombre de masse (A), nous soustrayons le nombre de masse de la particule alpha : 222 - 4 = 218. Nous pouvons maintenant compléter l’équation nucléaire ainsi :

Rn22286 → Po218

84 + He42


Que représente X dans les équations nucléaires ci-dessous?

x Li H Rn 63

11

94 +→+

n Hs x Pb 10

265108

20882 +→+

x O He N 178

42

147 +→+

5.3 Isotopes radioactifs d’origine naturelle

Plusieurs isotopes d’éléments naturels sont radioactifs. Par exemple, le U23892 naturel

est radioactif et se désintègre par la perte de particules α.

HeThU 42

23490

23892 +→

Rutherford a découvert qu’en bombardant N147 avec des particules α, cela produisait

O178 et des protons.

HOHeN 11

178

42

147 +→+

La réaction ne se produit pas spontanément : l’élément doit être frappé par un autre

élément ( He42 ) pour pouvoir se désintégrer (donc, l’autre particule induit la réaction

nucléaire). Les Curie ont découvert que le bombardement de l’aluminium entraîne l’émission de deux particules : des neutrons et des positrons. Au cours de leurs expé-riences, les Curie ont aussi observé que lorsque le bombardement cessait, l’émission des particules α s’arrêtait, mais que l’émission de positrons continuait. Ils en ont conclu que le phosphore se désintégrait par l’émission de positrons.


b+→

+→+

+01

3014

3015

10

3015

42

2713

SiP

NPHeAl

Le premier élément produit par la technique des Curie était P3015 . Depuis, plusieurs

autres éléments ont été engendrés.

5.4 Éléments transuraniens

En 1940, le premier élément synthétique U23992 a été produit en bombardant U238

92 avec des neutrons. Le bombardement par les neutrons est efficace pour produire des réactions nucléaires parce que les particules lourdes ne sont pas repoussées lors-qu’elles approchent le noyau. Plusieurs éléments ont aussi été produits en utilisant le bombardement par atomes lourds. Par exemple, un élément comme l’azote est bombardé par le noyau d’un élément plus léger :

n4HaNCf 10

260105

157

24998 +→+

5.5 Taux de désintégration radioactive

Dans un échantillon de matière contenant des éléments radioactifs, nous nous atten-dons à ce que chaque noyau se désintègre à un certain moment, mais personne ne peut prédire à quel moment un certain noyau se désintégrera. Nous pouvons cependant utiliser des méthodes statistiques pour élaborer des prédictions pour un ensemble d’atomes. Selon les résultats des expériences, le taux de désintégration d’une subs-tance radioactive est directement proportionnel au nombre de noyaux radioactifs, A. La loi établie à propos de la désintégration radioactive s’énonce ainsi :

« Le taux de désintégration d’une matière radioactive est nommé l’activité, A, ou le taux de désintégration- et est directement proportionnel au nombre d’atomes présents. »

Nous pouvons écrire cette loi en termes mathématiques :

Taux de désintégration (A) α N

A = λN

où A représente l’activité et a comme unités les atomes/unités de temps; où N re-présente le nombre d’atomes dans l’échantillon observé et où λ est la constante de désintégration selon les unités de temps-1. La radioactivité est un processus de premier


ordre. Nous pouvons visualiser l’activité comme si c’était une vitesse de réaction chimique où N correspond à la concentration des réactifs et où λ correspond à la constante de vitesse. Pour un processus qui obéit à la cinétique de premier ordre, et qui suit la vitesse intégrée et la demi-vie, une équation peut être écrite :

ëtN

Nln

0

t −=

(5.1)

λ

693.0

2

1=t

(5.2)

No est le nombre d’atomes au temps initial (t = 0) et N

t est le nombre d’atomes à

une date ultérieure, t. La demi-vie est définie comme l’espace de temps requis pour que la moitié de la substance disparaisse. Souvenez-vous que, pour un processus de premier ordre, la demi-vie est une constante. Il en découle que plus la demi-vie est courte, plus la valeur de λ est grande et plus le processus de désintégration se pro-duit rapidement. La demi-vie pour les éléments radioactifs (aussi appelée la période radioactive) varie de très très courte à très longue.

Exemple 1

Calculez le nombre de désintégrations par seconde qui se produisent dans 100 g de radium si la constante de désintégration du radium est 1,36 x 10–11.

Le taux de désintégration radioactive est donné par A = λN

où λ est le nombre de désintégrations par secondes et où N est le nombre d’atomes présents.

Nous commençons par calculer le nombre d’atomes présents :

moles 0,442

mol g 226

g 100 moles de No.

1-==

Nous savons que, dans 1 mole, il y a 6,02 x 1023 particules; par conséquent, le nombre de particules (N) dans 100 g ou 0,442 moles est :

N = 6,02 x 1023 atomes/particule x 0,442 moles = 2,66 x 1023 atomes


Donc, le nombre de désintégrations est :

A = λN

= 1,36 x –11 x 2,66 x 1023 atomes

= 3,62 x 1012 désintégrations sec–1

5.6 Datation au radiocarbone

Le phénomène de la radioactivité fournit un outil utile pour déterminer l’âge des restes de fossiles. Voici le principe sur lequel s’appuie la datation au radiocarbone :

Dans la haute atmosphère, C140 se forme continuellement parce que .14

7 N est toujours bombardé par des neutrons, ces derniers étant produits par les rayons cosmiques.

HCnN 11

146

10

147 +→+

À l’intérieur des organismes vivants, les composés qui contiennent du carbone

maintiennent l’équilibre avec le C14 présent dans l’atmosphère. Les organismes

remplacent ainsi les atomes de C14 qui ont subi la désintégration radioactive par de

nouveaux atomes de C14 à travers leurs interactions avec l’environnement. L’équi-

libre est détruit une fois que l’organisme n’interagit plus avec l’atmosphère (donc, ne respire plus). Ainsi, le taux de désintégration chute avec le temps.

Enfin, la mesure des taux de désintégration après un certain temps nous permet d’estimer l’âge des artéfacts.

Exemple 2

Deux étudiants, en train de faire des fouilles sur un site archéologique, trouvent ce qui semble être des restes fossiles. On constate que les spécimens qu’ils ont trouvé ont une proportion de 14C/12C qui représente 0,795 fois ce que l’on trouve dans les plantes actuellement vivantes. Quel serait l’âge approximatif des restes fossiles? La période radioactive (demi-vie) du carbone-14 est de 5 720 ans.

Solution

La désintégration radioactive est un processus de premier ordre, comme il est indiqué dans l’équation (5.1) :


ëtN

Nln

0

−=

Pour être en mesure d’utiliser l’équation ci-dessus, nous devons trouver λ. Celui-ci peut être calculé à partir de l’équation :

λ

693.0

2

1 =t

Étant donné que ans 5720t21 = , nous pouvons calculer λ,

ans10 x 21,1ans 5720

0,693 ë 4-

1-==

La loi de vitesse intégrée peut être écrite ainsi :

tx303,2

1021,1log

14

0

−−−=

ansxNN

N0 est la quantité de substance au temps zéro et N est la quantité de substance à un

temps ultérieur, t.

N peut être estimé comme étant N= 0,795N0 ou N/ N

0 = 0,795. Donc,

x t2,303

ans10x1,21

0,795

1log

14 −−−=

– 0,100 = – 5,25 x 10–5 ans–1 x t

t = 1895 ans

t = 1900 ans



En comptant le nombre d’anneaux sur un tronc d’arbre, nous pouvons estimer l’âge d’un arbre. Un groupe d’étudiants a donc examiné un spécimen d’arbre en utilisant la méthode du comptage d’anneaux; l’âge du spécimen a ainsi été estimé à environ 7 000 ans. Dans une expérience de datation au radiocarbone, il a été constaté que le spécimen avait une activité de 6,6 désintégrations par seconde par gramme de car-bone. Utilisez la technique de datation au radiocarbone pour estimer l’âge de l’arbre. (Réponse : 6225 ans)

5.7 Équivalence masse-énergie

La relation entre la masse est l’énergie est présentée par l’équation d’Einstein qui traduit l’équivalence entre la masse et l’énergie.

E = Dmc2 (5.3)

où E est une quantité d’énergie, où Dm représente une masse et où c est la vitesse de la lumière. L’équation implique qu’une petite quantité de masse se change en une grande quantité d’énergie.

Prenons par exemple la formation de He42 à partir de deux neutrons et de deux pro-

tons. La masse expérimentale est inférieure à la masse théorique. Cela suggère donc qu’une partie de la masse a été perdue. Cette différence dans la masse est le « défaut de masse ». La masse ne disparaît pas vraiment : elle est plutôt convertie en énergie.

5.7.1 Énergie de liaison

Le noyau d’un atome consiste en des protons et des neutrons; ces premiers sont char-gés positivement tandis que ces derniers sont neutres. La présence de telles charges n’est pas énergétiquement favorable. Les nucléons devraient s’éloigner rapidement les uns des autres à cause des répulsions électrostatiques. Alors, comment se fait-il que les nucléons ne se fuient pas entre eux? Une quelconque énergie doit être utilisée pour neutraliser les répulsions électrostatiques. Cette énergie est l’énergie de liaison. Alors, d’où provient l’énergie de liaison?

Considérons l’exemple de la formation de la particule He42 .

Masse de deux protons = 2 x 1,00727646 uma = 2,01455292 uma.

Masse de deux neutrons = 2 x 1,00866492 uma = 2,01732984 uma.

Masse totale = 2,01455292 uma + 2,01732984 uma = 4,03188276 uma.


La véritable masse de 4He (4,00260324 uma) est inférieure à la somme des protons et des neutrons. La masse manquante est de 0,02927952 uma.

kg 10 x 4,8619776

uma 1

kg 10 x 1,66053873 x uma 02927952,0 29-

-27

=

L’équivalence en énergie, c’est-à-dire l’énergie de liaison, est obtenue par substitution dans l’équation E = Dmc2.

Énergie de liaison = 4,8619776 x 10-29 kg x (3,0 x 108 m s-1)2

= 4,3697275 x 10-12 J

N

+ +

N N

+ + N

2 neutrons

2 pro tons

Figure 5.2 Illustration de la formation d’une particule alpha (particule d’hélium) à partir de 2 protons et de 2 neutrons.

Unités de mesure importantes

- Dans les équations précédentes, l’énergie est en joules (J)

- Une autre unité de mesure fréquemment utilisée est l’électron-volt

1 eV = 1,60022 x 10-19J

1 MeV = 1,6022 x 10-13J

- Le facteur de conversion entre les unités de masse atomique (u) et les joules

1u = 1.6606 x 10-24g

Étant donné E = mc2


2-228

3

24

sm)10 x (2,9979 x kg10

1,6606x10xu 1 E

−

=

E = 1,4924 x 10-10J

- Équivalent en énergie de 1 u

1 unité de masse atomique (u) = 1,4924 x 10-10J

1 unité de masse atomique = 931,5 MeV

5.7.2 Énergie de liaison et stabilité nucléaire

L’énergie de liaison par nucléon peut être calculée pour les différents éléments : il suffit de diviser l’énergie de liaison par le nombre de nucléons. Un graphe de l’énergie de liaison par nucléon fournit des informations utiles en ce qui a trait à la stabilité des éléments. La Figure 5.3 illustre la variation de l’énergie de liaison par nucléon par rapport au nombre de masse.

Le graphe montre que l’énergie de liaison augmente lorsque le nombre de masse augmente, puis que la courbe atteint un maximum à Fe-56. Par la suite, l’énergie diminue. Ces données suggèrent que les nucléons dans Fe sont plus fermement liés et que, par conséquent, l’isotope de fer est le plus stable ainsi que le moins facilement divisible. Les éléments à proximité du fer dans le tableau périodique vont se diviser ou se combiner pour donner un noyau où les nucléons sont plus fortement liés entre eux. Les éléments situés avant le fer vont libérer de l’énergie lorsqu’ils sont fusionnés tandis que ceux qui se situent après Fe vont dégager de l’énergie lorsqu’ils sont divisés (par la fission). La baisse de l’énergie de liaison après l’élément fer est attribuable à la taille grossissante du noyau : au fur et à mesure que le noyau grossit, la force de liaison a de plus en plus de difficulté à contrebalancer les forces électrostatiques entre les protons.


Yield from nuc lear fission

Bind ing energy per nuc leon in MeV

50 100 150 200

2

Elements heavier th an iron. Can yield energy by nuc lear fission

Yield from nuc lear fusion

Fe

Th e iron group isotop es are mo st light ly bound

Mass numb er, A

Figure 5.3 Variation de l’énergie de liaison par rapport au nombre de masse des éléments dans le tableau périodique. Le graphe montre des aires où les éléments sont susceptibles de se désintégrer par fission et où ils sont susceptibles de se fusionner.

- Adapté de http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/nuclear/nucstructcon.html#c1

5.8 Nombres magiques

La stabilité des éléments est aussi influencée par le rapport entre les protons et les neutrons. Les noyaux qui contiennent soit trop de neutrons ou soit pas assez de neu-trons sont instables. Une observation qui a été faite est que la stabilité des noyaux se produit plus souvent chez des nucléides qui ont un nombre pair de protons. Il est possible de comparer les configurations électroniques et de constater que les nom-bres magiques 2; 8; 18; 36; sont exceptionnellement stables. Des nombres magiques semblables existent pour les protons dans les noyaux, soit: 2; 8; 20; 28; 50; 82 ou 126 protons ou neutrons sont exceptionnellement stables. Un noyau tentera donc d’atteindre la stabilité en se débarrassant des neutrons, ainsi que d’autres particules, ou en libérant de l’énergie sous d’autres formes.


Figure 5.4 Diagramme présentant la distribution des noyaux en lien avec le nombre de protons et de neutrons. La bande clairement visible se nomme la « vallée de stabilité » : des désintégrations sont possibles de chaque côté de la vallée de stabilité.

- Diagramme adapté de : http://www.eadiography.net/articles/Introduction%20to%20Radioactivity.

pdf

La Figure 5.4 illustre la vallée de stabilité pour plusieurs proportions proton/neutron qui engendrent des périodes radioactives mesurables. Selon le côté de la vallée où les noyaux se situent, ceux-ci produiront des émissions ayant des caractéristiques particulières. D’un côté, les nucléides ayant une proportion proton/neutron faible tendent à subir l’émission de positron, la capture d’électron ou encore l’émission alpha. De l’autre côté, les noyaux qui ont une proportion proton/neutron élevée ont tendance à produire une émission bêta.

5.9 Interaction du rayonnement avec la matière

Les rayons alpha, bêta et gamma sont des exemples de rayonnements ionisants. Par définition, les rayonnements ionisants ont la capacité d’arracher des électrons au fur et à mesure que ces premiers traversent la matière. Pendant leurs interactions avec la matière, les rayonnements peuvent aussi faire augmenter l’énergie des électrons jusqu’à un niveau plus élevé. En général, le pouvoir ionisant suit la tendance suivante:


particule α > particule b > rayons X. Les applications pratiques des rayonnements tirent profit de la nature des interactions entre les divers types de rayonnements qui existent et la matière. Dans les prochaines sections, nous allons examiner comment les différentes formes de rayonnement interagissent avec la matière.

Particules alpha

Les particules alpha sont des particules relativement lourdes (2 protons et 2 neutrons) qui transportent aussi une double charge. Par conséquent, les particules alpha ont ten-dance à causer une ionisation importante au fur et à mesure qu'elles entrent en collision avec les électrons. En effet, les collisions créées par les particules alpha arrachent des électrons à l'atome ou, dans certains cas, causent l'excitation. Les particules alpha ne sont pas déviées de leur trajectoire étant donné qu'elles sont lourdes. Cependant, la particule alpha perd une certaine quantité d'énergie dans chacune des collisions successives, ce qui la fait ralentir. Si les particules alpha entrent en collision avec un noyau, alors elles sont déviées significativement de leur trajectoire tandis que le noyau rebondit dans une autre direction. Éventuellement, la particule alpha s'arrête à cause des nombreuses collisions. Le pouvoir de pénétration, c'est-à-dire la distance parcourue par la particule avant qu'elle ne s'arrête, dépend de la matière frappée par la particule ainsi que de l'énergie de cette dernière. L'interaction entre la particule alpha et la matière est illustrée dans le diagramme ci-dessous.

Figure 5.5 Interaction entre une particule alpha et la matière. Le diagramme montre les types d’interactions et les processus qui en résultent.


Particules bêta

Puisque les particules bêta sont plus légères et puisqu’elles ne transportent qu’une seule charge, nous nous attendons à ce que ces dernières causent une ionisation plus faible que celle produite par les particules alpha. En effet, les particules bêta causent une ionisation moins dense. La déviation des particules est plus prononcée lorsque ces dernières traversent la matière tout en causant de l’ionisation. La collision entre un électron et une particule bêta provoque la déviation de la particule bêta selon un grand angle. À l’opposé, l’électron frappé, que l’on appelle un « rayon delta » acquiert suffisamment d’énergie pour se remettre en route de façon autonome. Le rayon delta continue à produire de l’ionisation supplémentaire. Les rencontres occasionnelles que ce rayon fait avec un noyau atomique (ayant un numéro atomique élevé) entraînent une brutale déviation, ce qui donne des rayons X par effet de Bremsstrahlung. Les particules suivent ensuite un parcours en zigzag jusqu’à ce qu’elles finissent par s’immobiliser. En résumé, les particules bêta ont un plus grand pouvoir de pénétration que les particules alpha puisque les bêta produisent une ionisation moins dense (perte d’énergie) et qu’ils ralentissent plus graduellement que les particules alpha.

Figure 5.6 Interaction entre une particule bêta et la matière. Le diagramme montre la trajectoire en zigzag suivi par une particule bêta lorsque cette dernière traverse la matière.

Les rayons gamma et les rayons X

Contrairement aux rayons α et b qui sont des rayonnements faits de particules, les rayons gamma et les rayons X sont, par nature, des rayonnements non-particulaires. En fait, les rayons gamma et les rayons X sont des rayonnements électromagnétiques. Les interactions entre ces rayonnements électromagnétiques et la matière se produisent de manière très limitée si jamais des interactions se produisent. Les interactions sont


essentiellement réalisées à travers les électrons secondaires qui sont produits au fur et à mesure que les rayons gamma ou les rayons X traversent la matière. Deux types de processus existent : la diffusion et l’absorption.

(i) La diffusion de Compton

La diffusion de Compton se produit lorsqu’un rayon gamma interagit avec un électron libre dans une substance. Une partie de l’énergie du rayon gamma est alors transférée à l’électron, tandis qu’une autre partie continue en tant que rayonnement diffusé. Le rayonnement diffusé possède une énergie plus petite et dévie de sa trajectoire originale.

(ii) Absorption photoélectrique

L’absorption photoélectrique se produit lorsqu’un rayon gamma abandonne toute son énergie d’un seul coup à un électron atomique libre, électron qui est par la suite éjecté de l’atome. Le second type d’absorption met en jeu des rayons gamma dont l’énergie est supérieure à 1 MeV. Dans ce cas, l’absorption entraîne la production simultanée d’un électron et d’un positron. Le positron est ensuite annihilé par un électron atomique. Le processus d’annihilation entraîne la production de deux rayons gamma d’énergie 511 MeV.

Dans les sections précédentes, nous avons précisé que les rayons gamma et les rayons X interagissent très peu avec la matière. Par conséquent, il n’y a pas de pouvoir de pénétration défini pour ces rayons. Une autre méthode pour évaluer leur pouvoir de pénétration est donc utilisée : l’énergie de demi-absorption, c’est-à-dire la distance requise pour que la moitié du nombre de rayons gamma soit absorbée. Ainsi, l’éner-gie de demi-absorption est synonyme de « période radioactive » ou de « demi-vie » lorsque nous parlons de désintégration radioactive.


Xi. Glossaire des concepts clés

Termes clés et concepts

Une particule alpha (α) est une particule émise pendant la désintégration atomique de certains noyaux. La particule alpha contient deux neutrons et deux protons et est

identique à l’ion hélium +242He .

L’anode est l’électrode dans une cellule électrochimique où la demi-réaction d’oxy-dation se produit.

Les colloïdes d’association sont des systèmes dans lequel les phases dispersées consistent en des amas de molécules qui ont des parties lyophobes et lyophiles.

Une particule bêta (b) est un électron émis pendant la conversion d’un neutron en proton dans un certain noyau atomique, lors de la désintégration radioactive de ce noyau.

Le point d’ébullition est la température à laquelle la tension maximale de vapeur d’un liquide est égale à la pression atmosphérique extérieure.

Les rayons X par effet de Bremsstrahlung sont les rayons X qui sont émis lors-qu’une particule chargée, plus particulièrement un électron rapide, est ralenti en peu de temps.

La cathode est l’électrode d’une cellule électrochimique où la demi-réaction de réduction se produit.

La tension de la cellule (Ecell

) ou encore le potentiel de la cellule est la différence de potentiel entre deux électrodes d’une cellule électrochimique.

La variation de l’énergie libre (ΔG) est le changement dans l’énergie libre qui accompagne un processus.

Le potentiel chimique (m) d’un mélange donné est le coefficient δG/ δn où G re-présente l’énergie libre de Gibbs et où n est le nombre de moles de la substance ou du composant. Le potentiel chimique est donc le changement dans l’énergie libre de Gibbs qui permet d’entraîner un changement dans la quantité du composant.

La coagulation est le processus par lequel les particules colloïdales se rassemblent pour former une particule plus grosse. Le processus de coagulation est irréversible.

Les propriétés colligatives ont des valeurs qui dépendent seulement du nombre de particules de soluté dans la solution et non de la nature de ces particules. Les exem-ples de propriétés colligatives sont, entre autres, la pression osmotique, l’élévation du point d’ébullition et l’abaissement du point de congélation.


Un système colloïdal est une dispersion dans laquelle les particules sont d’une gros-seur intermédiaire entre celle des particules d’une vraie solution et celle des particules d’un mélange hétérogène ordinaire.

La diffusion de Compton se produit lorsque des photons de haute énergie sont diffusés par des électrons libres et que, par ce moyen, l’électron libre gagne de l’énergie.

La diffusion est le processus par lequel différentes substances se mélangent à la suite des mouvements aléatoires des atomes, des molécules ou des ions qui composent ces substances.

Une cellule électrochimique est un dispositif qui fait en sorte que les électrons transférés par une réaction d’oxydoréduction passent par un circuit extérieur.

La force électromotrice (f.é.m. ou encore fem) est la différence de potentiel entre deux électrodes dans une cellule voltaïque. Cette différence de potentiel s’exprime en volts (V).

Un mélange eutectique est une solution qui consiste en deux substances ou plus et qui a le plus bas point de congélation possible par rapport à tous les mélanges faits à partir de ces composants.

Le point eutectique (point d’eutexie) est le point de congélation minimal pour un ensemble de composants dans un mélange eutectique.

La constante de Faraday (F) est la charge électrique transportée par une mole d’électrons ou d’ions chargés une seule fois, F = 96 500 C/mol.

La cristallisation fractionnée est une méthode qui permet de purifier une substance par la cristallisation de la substance pure à l’état solide à partir d’une solution saturée, ce qui laisse les impuretés dans la solution.

La distillation fractionnée est une distillation dans laquelle les composants de la solution liquide sont séparés selon leur volatilité.

L’énergie libre (G) est une fonction thermodynamique destinée à produire un critère pour des changements spontanés : G = H – TS.

Le point de congélation est la température à laquelle un liquide se change en so-lide.

Une cellule galvanique (voltaïque) est une cellule électrochimique dans laquelle des réactions spontanées produisent de l’électricité.

Les rayons gamma (g) sont des rayonnements électromagnétiques produits lorsqu’un noyau atomique excité revient à un stade d’excitation inférieur.

La règle des phases de Gibbs énonce que pour tout système à l’équilibre, la relation P + F = C + 2 est vraie. Dans cette équation, P est le nombre de phases distinctes, C est le nombre de composants et F est le nombre de degrés de liberté du système.


La période radioactive (demi-vie) est l’espace de temps requis pour que la moitié des atomes présents subissent la désintégration radioactive.

La loi de Henry montre la relation la solubilité d’un gaz et la pression maintenue au-dessus de la solution du soluté gazeux : C = kP

gas .

Les solutions idéales sont les solutions qui obéissent à la loi de Raoult.

Les nombres magiques représentent les nombres de neutrons et de protons qui donnent au noyau atomique une stabilité exceptionnelle.

Le point de fusion est la température caractéristique à laquelle un solide se change en liquide.

La concentration molale (m) est la concentration d’une solution exprimée en quantité de matière de soluté par kilogramme de solvant (nombre de moles de soluté que l’on divise par la masse de solvant en kg).

La molalité (m) est la quantité de substance par unité de masse de solvant. L’unité de molalité utilisé habituellement est le mol kg–1.

L’équation de Nernst fait le lien entre les tensions de cellule E°, 0cellE et les activités

des réactifs ainsi que des produits dans la réaction d’une cellule.

L’énergie de liaison nucléaire est l’énergie requise pour séparer les protons et les neutrons qui constituent le noyau atomique.

L’équation nucléaire est la représentation des changements qui se produisent pendant un processus nucléaire.

L’osmose est le mouvement net des molécules de solvant, à travers une membrane semi-perméable, d’une solution diluée vers une solution plus concentrée.

La pression osmotique (P ou tension osmotique) est la pression qui serait requise pour qu’une solution cesse de passer à travers une membrane semi-perméable. La pression osmotique est donnée par PV = nRT, où n représente le nombre de moles, V le volume, R est la constante des gaz et T est la température absolue.

Un diagramme de phases est un graphe qui indique la relation entre les phases solides, liquides et gazeuses par rapport à un certain nombre de conditions. Habituellement, ces conditions sont la température et la pression.

Une phase est une partie homogène dans un système hétérogène. La phase est séparée des autres parties du système hétérogène par une frontière distincte.

L’absorption photoélectrique se produit lorsque les rayons gamma interagissent avec les électrons libres : un rayon gamma donne toute son énergie en un seul coup et l’électron est alors éjecté de l’atome.

La constante de désintégration radioactive (k) est une constante de proportionnalité dans la loi de la désintégration radioactive.


La loi de la désintégration radioactive énonce que le taux de désintégration ra-dioactive (A) est directement proportionnel au nombre d’atomes présents dans la substance.

La loi de Raoult énonce que la pression de vapeur d’un composant d’une solution est égale au produit de la pression de vapeur du liquide pur et de sa fraction molaire

en solution : °= APXP AA .

Un pont salin est un dispositif utilisé pour réunir deux demi-cellules dans une cellule électrochimique.

La tension standard d’une électrode (E°) est le potentiel qui se crée à une électrode au moment où les formes oxydées et les formes réduites des substances sont à leur état standard.

L’électrode standard à hydrogène (ESH) est l’électrode à laquelle l’équilibre est établi entre l’ion oxonium H

3O+ (a = 1) et H

2 (g, 1 atm) sur une surface de platine.

Le point triple est une condition de température et de pression à laquelle les trois phases (habituellement, solide, liquide et gazeuse) d’une substance existent à l’équi-libre.

La viscosité est la résistance des liquides à l’écoulement. La force de la viscosité dépend des forces intermoléculaires d’attraction et, dans quelques cas, de la grosseur et de la forme des particules.


Xii. liste des lectures obligatoires

Lecture #1 : Solution

Référence complète : A Chem1 Reference Text

http://www.chem1.com/acad/pdf/solut.pdf

Description : Ce texte couvre le sujet des solutions d’une façon générale. Tout d’abord, les différents types de solutions sont examinés. Par la suite, différentes méthodes pour mesurer les concentrations sont présentées. Enfin, les propriétés col-ligatives, la pression osmotique, l’abaissement du point de congélation et l’élévation du point d’ébullition sont aussi des sujets discutés dans ce texte.

Justification : Cette référence se lit facilement, ce qui est idéal pour l’étude de l’unité 1. Le texte contient de nombreux diagrammes bien élaborés qui expliquent les concepts et qui facilitent donc la compréhension de ceux-ci. Pour chacun des sujets abordés, plusieurs exemples de problèmes permettent d’enrichir les apprentissages et de montrer les applications pratiques des concepts.

Lecture #2 : Solubility

Référence complète : http://en.wikipedia.org/wiki/Solubility

Date de consultation : 16 octobre 2007

Description : Ce site web est un bref survol de plusieurs aspects de la solubilité. Le texte présente une vision moléculaire de la solubilité. Il traite des facteurs qui influencent le processus de dissolution, par exemple : la polarité des molécules, la température et la pression. De plus, l’aspect de la quantification est brièvement abordé. Enfin, il y a des hyperliens sur les mots-clés, ce qui fournit des références immédiates en cas de besoin.

Justification : Le point de vue fondamental du concept de la solubilité est présenté dans cette lecture. Il est essentiel de relire ce texte en guise de révision avant d’étudier l’unité à propos des solutions. Le texte fournit les notions essentielles ainsi que des liens vers des explications pour les termes clés.


Lecture #3 : COLLOIDS

Référence complète : http://mysite.du.edu/~jcalvert/phys/colloid.htm


Description : Le sujet des colloïdes est couvert d’une manière complète et selon un point de vue qualitatif. Les différents types de systèmes ainsi que leurs propriétés sont expliqués. La purification des colloïdes par l’osmose et par la dialyse est aussi examinée. Aussi, plusieurs exemples de systèmes colloïdaux sont présentés.

Justification : Ce texte offre un point de vue général et qualitatif sur le sujet traité dans l’unité II. En plus d’expliquer les colloïdes d’un point de vue chimique, le site internet offre des illustrations de nos rencontres quotidiennes avec les colloïdes. Ainsi, grâce à la lecture du texte, l’apprenant sera en mesure de mieux apprécier les systèmes colloïdaux.

Lecture # 4

Référence complète : http://en.wikipedia.org/wiki/colloid


Description : Dans cette page web, les colloïdes sont traités d’une manière brève et concise. De plus, la classification est présentée et des exemples de différents types de colloïdes sont donnés. Aussi, il y a des explications sur les facteurs qui entraînent la stabilité ainsi que sur ceux qui provoquent la rupture de l’équilibre du système colloïdal.

Justification : Ce texte wiki constitue un survol rapide des colloïdes que l’apprenant rencontre dans sa vie quotidienne. Dans le texte, les termes importants sont reliés avec des hyperliens. Ce site wiki est idéal pour les révisions rapides et comme aide-mémoire à propos des sujets couverts dans l’unité.

Lecture # 5 : PHASE EQUILIBRIUM

Référence complète:

http://www.wpi.edu/Academics/Depts/Chemistry/Courses/General/concep10.html


Description : En fait, cette lecture est un chapitre tiré du manuel virtuel pour le programme de chimie générale à WPI. Le texte traite d’une manière complète des aspects de la thermodynamique avant de s’intéresser à l’équilibre des phases. L’auteur décrit plusieurs types d’équilibres des phases en illustrant les concepts de nombreux exemples. Aussi, plusieurs diagrammes des phases pour des systèmes spécifiques sont présentés.


Justification : La thermodynamique est un sujet important qu’il faut connaître avant d’étudier l’équilibre des phases. Le texte commence par s’intéresser au désordre et à la spontanéité des processus. La lecture du texte fournit à la fois les bases fonda-mentales de l’unité III de ce module et l’approfondissement de la matière étudiée. Les exemples fournis permettent à l’apprenant d’avoir une idée des applications des différents concepts.

Reading # 6 : PHASE EQUILIBRIUM AND INTERMOLECULAR INTERACTIONS

Référence complète : http://cnx.org/content/m12596/latest

Description : Ce texte se consacre principalement à l’équilibre gaz-liquide, à la pression de vapeur et aux diagrammes de phases qui y sont associés. Les différences entre les gaz et la phase condensée sont décrites. Le texte se poursuit en décrivant les transitions entre les phases solides, liquides et gazeuses. Le rôle que jouent les forces moléculaires au cours de la transition est aussi examiné.

Justification : Cette lecture permet à l’apprenant de faire les liens entre ses connais-sances reliées à la théorie cinétique moléculaire et l’équilibre des phases, qui est le sujet de l’unité III. De plus, le texte permet d’explorer le concept d’équilibre dynamique même si ce concept n’est pas directement étudié au cours de ce module.

Lecture # 7 : ELECTROCHEMISTRY

Référence complète : Chem1 Virtual Textbook

http://www.chem1.com/acad/webtext/elchem/

Description : Il s’agit d’une excellente lecture qui fait partie du « Chem1 Virtual Textbook ». Le texte approfondit systématiquement le sujet de l’électrochimie en commençant par le phénomène du transfert de charge qui se produit à l’interface d’un métal et du liquide. Le concept de potentiel d’électrode est examiné, puis la cellule électrochimique est étudiée. Le lien entre l’énergie libre et le potentiel de cellule est fait par l’entremise de l’équation de Nernst.

Justification : Cette lecture servira au cours de l’étude de l’unité IV de ce module. Le texte couvre tous les aspects majeurs de l’électrochimie en incluant les applica-tions de celle-ci. L’apprenant, en plus de saisir les concepts théoriques, découvrira les applications de l’électrochimie dans la vie quotidienne. Le texte est accompagné d’exemples de problèmes qui illustrent les concepts.


Lecture # 8 : ATOMIC NUCLEI

Référence complète : A Textbook for High School Students Studying Chemis-try

Description : Il s’agit d’un manuel gratuit conçu pour la chimie de niveau secon-daire. Le manuel couvre presque tous les sujets importants de la chimie, incluant la structure atomique et la chimie nucléaire. Les forces nucléaires sont expliquées et la nature de la désintégration radioactive (alpha, bêta et gamma) est examinée. Le chapitre se termine par les applications des réactions nucléaires, c’est-à-dire les réacteurs nucléaires.

Justification : Cette lecture est recommandée pour ceux qui n’ont pas étudié la chimie nucléaire auparavant. Le manuel présente tous les sujets de chimie nucléaire d’une manière élémentaire qui convient pour explorer les concepts de l’unité V de ce module. Le texte constitue donc une bonne lecture de base pour l’unité V.

Lecture # 9 : INTRODUCTION TO RADIOACTIVITY

Référence complète :

http://www.e-radiography.net/articles/Introduction%20to%20Radioactivity.pdf

Description : Cette lecture commence par offrir une perspective historique du phé-nomène de la radioactivité. Les unités essentielles pour étudier le phénomène de la radioactivité sont présentées. Ensuite, le texte étudie la nature du noyau atomique ainsi que les facteurs qui causent la stabilité ou l’instabilité du noyau. Les types de rayonnements provenant du noyau et la nature des interactions de ce dernier avec la matière sont aussi examinés

Justification : L’unité V traite de la chimie qui se produit à des niveaux subatomiques et qui est accompagnée d’émissions radioactives. Le texte est une présentation com-plète des réactions nucléaires. La lecture de ce texte est donc essentielle pour l’étude de l’unité sur la chimie nucléaire. Les sections traitant des interactions entre la matière et le rayonnement sensibilisent l’apprenant à propos des dangers du rayonnement.


Xiii. liste complète des ressources multimédia optionnelles

Ressource #1

Référence complète : Chemistry@Davidson

http://www.chm.davidson.edu/ChemistryApplets/index.html

Description : Cette ressource contient des expériences et des exercices qui sont à la fois animés et interactifs. Les expériences sont bien disposées visuellement. Elles sont accompagnées d’un court résumé en plus d’être interactives.

Justification : Les expériences interactives aident l’étudiant à appliquer les concepts traités dans les unités qui y sont reliées. L’apprenant doit faire les exercices pour évaluer son niveau de compréhension de l’unité.

Ressource #2

Référence complète : Chemodule

http://www.karentimberlake.com/chemodul.htm

Description : Dans cette ressource, il y a une série de mini-cours sous la forme de powerpoint. Les cours ppt peuvent être utilisés pour étudier à son propre rythme et aussi pour réviser la matière fraichement apprise. Des quiz accompagnent les cours, ce qui permet à l’apprenant de savoir si les concepts ont été bien saisis.

Justification : Des minis-cours en lien avec l’unité I et avec l’unité V se trouvent sur ce site. De plus, le contenu pré-requis nécessaire pour aborder les sujets de ce module est aussi disponible. Des quiz sur chacun des sujets permettent à l’apprenant de s’évaluer pendant ou après le processus d’apprentissage.

Resource #3

Référence complète : Virtual lab Simulation

http://www.chemcollective.org/applets/vlab.php

Description : Le laboratoire virtuel permet à l’apprenant d’effectuer des expériences simulées. Ces expériences donnent à l’apprenant le sentiment de faire une pratique en laboratoire. L’apprenant a accès à une grande variété de produits chimiques, de vaisselle en verre et d’instrument qui peuvent être utilisés pour exécuter une expé-rience particulière.

Université Virtuelle Africaine �0�

Justification : Les expériences simulées sont importantes pour illustrer les concepts qui ont été abordés au cours des diverses activités d’apprentissage. L’apprenant peut concevoir et effectuer des expériences en lien avec la thermochimie, la solubilité et l’électrochimie. L’apprenant choisit alors la verrerie appropriée ainsi que les instru-ments, comme les brûleurs et les pH-mètres.


XiV. liste complète des liens utiles

Lien #1

Titre : Concepts Of Chemistry

URL : http://www.wpi.edu/Academics/Depts/Chemistry/Courses/General/conceptt.

html

Capture d’écran :

Description : Ce site Internet est une collection de chapitres de chimie disponibles en ligne. Les sujets sont bien organisés grâce à une table des matières qui permet à l’ap-prenant d’accéder facilement au matériel désiré. Le site contient des « Appendices » utiles remplies d’hyperliens vers des aides à la conversion d’unités de mesure, vers des outils d’analyse dimensionnelle, vers des bases de données thermodynamique, etc.

Justification : Plusieurs des sujets qui seront explorés dans ce module requièrent des lectures supplémentaires. Ce site Internet fournit, en un seul endroit, un accès à du matériel pour apprendre les connaissances nécessaires pour l’étude de ce module. Les sujets suivants ne valent rien : forces intramoléculaires, forces intermoléculaires et énergie moléculaire; phases solides et liquides; changements dans le désordre en phy-sique; processus chimiques. Ces sujets sont importants pour l’étude de l’unité I.


Lien #2

Titre : Chem1 Virtual Text Book

URL : http://www.chem1.com/acad/webtext/virtualtextbook.html


Description : Le manuel virtuel Chem1 est un matériel de référence en chimie géné-rale. Ce manuel traite de plusieurs sujets essentiels en chimie en les accompagnant de bonnes illustrations. Les concepts chimiques y sont bien exposés. Le site contient plusieurs chapitres téléchargeables en format PDF.

Justification : L’apprenant est en mesure d’utiliser cette ressource en ligne ou de télécharger le fichier PDF désiré. Les chapitres les plus importants dans ce module sont ceux à propos des solutions et de l’électrochimie et peuvent être téléchargé. Les chapitres traitant d’énergie chimique et de thermodynamique sont des lectures utiles.


Lien #3

Titre : Experiments On Surface Phenomena And Colloids

URL: http://www.funscience.com


Description : Les concepts de base reliés à la chimie des solutions sont présentés sous la forme d’un tableau dans ce site. La concentration et les propriétés colligatives sont aussi traitées dans ce site.

Justification : Ce lien est utile pour faire une révision rapide des notions fondamen-tales de la chimie des solutions. Ça vaut la peine de consulter ce site avant d’étudier le sujet des solutions dans l’unité I.

Lien #4

Titre: Fun Science Gallery

URL : http://www.funsci.com/fun3_en/exper2/exper2.htm


Description : Ce site présente les phénomènes de surface et les colloïdes avec des images aux couleurs vives. Plusieurs expériences sont intercalées dans le site. Il y a des hyperliens entre les détails de l’expérience et les illustrations. Les expériences sont à la fois simples et facile à effectuer à partir du matériel disponible à la maison.

Justification : Les propriétés des colloïdes sont principalement reliées à la grande surface des particules. Le site aide l’apprenant à apprécier plusieurs aspects du phé-nomène de surface, ce qui est particulièrement utile lors de l’étude de l’unité II à propos des colloïdes.


Lien# 5

Titre : Chemistry

URL : http://www.public.asu.edu/~jpbirk/


Description : Ce site présente une série de diapositives sur les solutions et les col-loïdes. Les sujets sont listés sous la forme d’une table des matières, ce qui permet d’accéder facilement au sujet désiré.

Justification : Une série de diapositives permettent à l’apprenant de parcourir le matériel de l’unité II étape par étape. Le site possède des liens vers des animations qui illustrent les concepts.


Lien# 6

Titre : General Chemistry

URL: http://www.vias.org/genchem/wrapnt_phase_equilibrium_and_intermolecu-lar_interactions74.html


Description : Ce lien est un manuel de chimie générale en ligne qui opère sous une licence « create commons ». Le manuel contient de nombreux sujets en lien avec l’équilibre dynamique et avec l’équilibre des phases. Le matériel d’apprentissage est présenté de manière brève et concise. Les lectures peuvent être téléchargées ou étudiées en ligne.

Justification : Le matériel fourni sur ce site convient le mieux pour l’unité sur l’équi-libre des phases. Les autres sujets pertinents incluent l’énergie des réactions chimiques et l’énergie libre. Par ailleurs, les aspects du mélange spontané sont aussi traités.


Lien # 7

Titre : Lecture Notes For First-year Chemistry

URL: http://www.chem.queensu.ca/people/faculty/mombourquette/firstyrchem/electro/index.htm


Description : Ce site très utile possède des menus déroulants qui permettent d’ac-céder à plusieurs sujets de chimie générale. Le matériel pédagogique est présenté sous la forme de cours. Le site possède aussi une bonne section à propos de l’usage des ordinateurs en chimie; cette section contient des sujets qui vont du matériel de traitement de données aux systèmes d’opérations jusqu’au logiciel Excel et aux techniques pour réaliser des graphiques.

Justification : Ce site est un bon endroit où s’arrêter puisqu’il offre la possibilité d’accéder à beaucoup de matériel d’apprentissage pertinent pour presque toutes les unités du module. De plus, la section à propos de l’usage des ordinateurs en chimie permet à l’apprenant d’obtenir de l’information sur les ensembles de logiciels de traitement de données.


Lien # 8

Titre : Chemistry Resources

URL : http://www.chemtopics.com/index.html


Description : Ce site contient de nombreux cours en ligne sous la forme de diapora-mas. Les diapositives peuvent être consultées dans l’ordre, mais il est aussi possible de sauter d’un sujet à un autre. De nombreuses démonstrations et des quiz pratiques sont fournis sur le site.

Justification : Les lectures, les problèmes pratiques et les expériences qu’on retrouve sur le site sont du matériel pertinent pour les unités IV et V du module. Plusieurs quiz sont accompagnés de leurs réponses, ce qui permet à l’apprenant d’évaluer sa compréhension des concepts en lien avec les sujets traités. Les logiciels multimédias requis sont téléchargeables à partir des liens fournis sur le site.


Lien # 9

Titre : Visionlearning

URL : http://www.visionlearning.com/library/module_viewer.php?mid=59


Description : Pour l’essentiel, il s’agit d’une brève discussion à propos de la chimie nucléaire. Les processus fondamentaux et les particules sont examinés en même temps que la loi de la désintégration radioactive. Il est possible d’activer de bonnes simulations de la fission et de la fusion nucléaire sur ce site.

Justification : Le site traite de chimie nucléaire de manière très brève, mais il contient de bonnes simulations des processus nucléaires qui aideront les apprenants à bien comprendre le sujet.

Université Virtuelle Africaine ��0

Lien # 10

Titre : Chemistry The Concept

URL : http://www2.wwnorton.com/college/chemistry/gilbert/tutorials/ch2.htm


Description : Cette ressource présente, sous forme de chapitres, plusieurs concepts de la chimie. Le matériel fourni inclut des tutoriels et des animations qui aident à visualiser les processus dynamiques. Il est possible d’accéder aux tutoriels au fur et à mesure que l’on parcourt le site web ou encore de façon directe.

Justification : Le matériel d’apprentissage sur ce site Internet fournit à la fois les connaissances nécessaires pour se préparer à entamer le module, mais aussi des sup-pléments pour la nouvelle matière qui sera vue au cours des unités IV et V.


Lien # 11

Titre : Radiation And Radioactivity

URL: http://www.physics.isu.edu/radinf/cover.htm


Description : La ressource est conçue pour que l’apprenant puisse étudier la radioac-tivité à son rythme en suivant un certain parcours. En plus de s’intéresser à la théorie fondamentale, le site examine aussi les mesures de la radioactivité. Des liens vers des sites complémentaires sont aussi fournis.

Justification : Cette ressource offre une nouvelle vision des éléments de la radioac-tivité qui ont été vu dans l’unité V. Ainsi, grâce aux liens fournis sous les sources d’informations, les apprenants élargiront leur façon de voir le rayonnement et la radioactivité, notamment en étudiant les dangers possibles des rayonnements et de la radioactivité autour de nous.


XV. synthèse du module

Ce module a traité de cinq sujets principaux : les solutions, les colloïdes, l’équilibre des phases, l’électrochimie et la chimie nucléaire. Dans la partie sur les solutions, nous avons examiné le comportement des mélanges homogènes qui mettent en jeu des substances pures. Vous avez appris que, lors de la formation d’une solution, les variations d’enthalpie jouent un rôle dans le processus de dissolution, mais que la force motrice est l’augmentation du désordre du système. La solution idéale a été décrite comme étant une solution où la variation d’enthalpie est de zéro, c’est-à-dire que les forces intermoléculaires entre le soluté et le solvant sont les mêmes. Enfin, les propriétés colligatives des solutions (propriétés influencées par la concentration du soluté et non par la nature de ce dernier) ont été étudiées. Des exemples de ces propriétés comme l’osmose, l’élévation du point de congélation et l’abaissement du point de congélation ont aussi été examinés.

Nous avons aussi discuté des systèmes colloïdaux. Ces systèmes se distinguent des solutions seulement en termes de taille du soluté. De plus, la stabilité du système requiert que les particules demeurent dans les valeurs colloïdales. La grande surface de contact des particules est ce qui influence principalement les propriétés des col-loïdes.

Dans la partie sur l’équilibre des phases, nous avons examiné les transformations physiques des substances pures. Le concept de diagramme de phases a été introduit comme moyen de suivre les changements qui se produisent lorsque les mélanges sont réchauffés ou refroidis. La règle des phases, qui sert à déterminer le nombre de variables pouvant être changées indépendamment sans que le système ne change de phase, a aussi été présentée.

Les systèmes qui mettent en jeu des mouvements de matières aux interfaces ont été discutés étudiés au cours de l’unité IV. Une réaction impliquant des transferts d’électrons a besoin de quelles conditions pour pouvoir se produire spontanément? Voilà un exemple de question à laquelle nous avons répondu au cours de notre étude de l’électrochimie. La relation entre le potentiel de cellule et la concentration a été établie grâce à l’équation de Nernst.

Le phénomène de la radioactivité, où les noyaux de certains isotopes subissent la désintégration spontanée en émettant des rayonnements ionisants et non-ionisants, a aussi été étudié. La nature des différentes interactions entre les divers rayonnements et la matière a été établie. De plus, les risques possibles en lien avec ces interactions ont été évalués.


XVi. Évaluation sommative

1. Un échantillon de 50,0 g de naphtalène (un non-électrolyte non volatile), C10

H8,

est dissous dans 100,0 g de benzène à 20 C. La pression de vapeur du benzène pur est de 74,6 torr à 20° C. Calculez la pression de vapeur de la solution. (Masses atomiques : C = 12,01; H = 1,008)

(a) 58,8(b) 60,2(c) 59,4(d) 60,8(e) 57,2

2. Une solution de 1,00 g de benzène, C6H

6, dans 80,00 g de cyclohexane, fait passer

le point de congélation du cyclohexane de 6,5 à 3,3 oC. Quelle est la valeur de K

f pour le cyclohexane? (Masses atomiques : C = 12,01; H = 1,008)

(a) -20 °C/m(b) -14 °C/m(c) -16 °C/m(d) -18 °C /m

3. Une biochimiste a isolé une nouvelle protéine et a déterminé sa masse molaire par des mesures de pression osmotique. Elle a utilisé 0,270 g de la protéine dans 50,0 mL de solution. Elle a alors observé une pression osmotique de 3,86 mm de Hg pour cette solution à 25 °C. Quelle est la masse molaire de la nouvelle protéine?

(a) 24 980(b) 25 980(c) 28 980(d) 29 000


Les prochaines questions sont basées sur le diagramme de phases d’une substance hypothétique présenté ci-dessous : 300

30

6

1

-105 - 15 0 50 200

A

B C

P/a tm

T/°C

4. Quel est le point d’ébullition de la substance à une pression de 30 atm?

(a) 0 °C(b) -15 ºC (c) 50 ºC (d) -105 ºC

5. Quel type de changement de phase se produit lors du passage de B à C?

(a) Vaporisation(b) Sublimation(c) Congélation(d) Fusion

6. À quelle température et à quelle pression est-ce que le point triple se produit chez cette substance?

(a) -15 ºC et 1 atmosphère (b) 0 ºC et 6 atmosphères (c) 200 ºC et 300 atmosphères (d) - 15 ºC et 6 atmosphères

7. Sous quelle forme serait la substance à une température et à une pression stan-dards?

(a) sous la forme de gaz seulement(b) sous la forme solide seulement(c) sous la forme liquide seulement(d) sous forme solide ou sous forme gazeuse


8. Si les potentiels standards pour les couples A+/A, B+/B, C+/C sont respectivement de +2,0V, +1,0V, et - 0,5V, quelle substance est le meilleur agent réducteur?

(a) C(b) B+.(c) C+(d) A+

9. Si la f.é.m. standard des cellules électromotrices est de 0,91 V, quel est le potentiel standard de l’électrode Zn/Zn2+ ? Zn(s)| Zn2+ (aq) || H+, H

2 (aq)| Pt(s)

(a) 0,91 V(b) -0,91 V(c) 0,09 V(d) -0,09 V

10. Si la f.é.m. standard de la cellule suivante est de 0,91 V, quel est le potentiel standard de l’électrode H+/H

2 ?

(a) -0,91 V(b) 0,09 V(c) -0,09 V(d) 0 V

11. La tension standard de la cellule A(s) | AB(s) | B-(aq) || C+(aq) | C(s) est de 0,1 V à 25 degrés Celcius. Quelle est la constante d’équilibre?

(a) 12(b) 36(c) 49(d) 52

12. En combien de jours est-ce qu’un échantillon de 12 g va se désintégrer tout en laissant un total de 1,5 grammes de l’isotope original? (La période radioactive est de 8,07 jours.)

(a) 8(b) 16(c) 20(d) 24


13. Soit la réaction nucléaire suivante :

nCXBe 10

126

124 +→+

Quelle est l’identité de la particule X?

(a) une particule alpha(b) une particule bêta(c) un proton(d) un neutron

14. Soit l’équation nucléaire correctement équilibrée :

XUnqCfC 4257104

24998

126 +→+

Quelle particule est représentée par X?

(a) H11

(b) n10

(c) He42

(d) n01−

15. Ga6731 est utilisé en médecine nucléaire pour évaluer la circulation du sang lorsque le docteur soupçonne une coronaropathie. Si, tout de suite après le traitement, la radioactivité du sang d’une personne est de 20 000 comptes par minute, combien de temps devra passer pour que l’activité diminue pour atteindre 4 066 comptes par minute?

(a) 67 heures(b) 60 heures(c) 154 heures(d) 28 jours


Corrigé

1. (e) 57,2

2. (a) -20 °C/m

3. (d) 25 980

4. (c) 50 ºC

5. (c) Congélation

6. (d) - 15 ºC et 6 atmosphères

7. (a) sous la forme de gaz seulement

8. (a) C

9. (b) -0,91V

10. (d) 0 V

11. (c) 49

12. (d) 24

13. (a) une particule alpha

14. (b) n10

15. (c) 154 heures


XVii. réferences bibliographiques

Atkins, P and Paula, J.(2005). Physical chemistry. New York: Oxford University-Press

Brady, J.E and Senese, F.(2004). Chemistry: matter and its changes. Hoboken,NJ: John Wiley & Sons

Levine I. N (1995). Physical Chemistry. New York: MacGraw-Hill. Barrow M. G. (1979). Physical chemistry. Japan, MacGraw-Hill.

Petrucci, R. H and Harwood, W. S. (1997). General chemistry: principles and modern applications. New Jersey: Prentice-Hall International.

Animation and simulations Credits Breenbowe, T. Chemistry Experiment Simulations and Conceptual Computer Animations, Chemical Education Research Group, Department of Chemistry, 3051 Gilman Hall, Iowa State University. http://www.chem.iastate.edu/group/Greenbowe/sections/projectfolder/simDownload/ index4.html#kinetics

Sciencebuddies http://www.sciencebuddies.org/mentoring/project_ideas/home Chemshtml?from=Home


XViii. Notes pour l’évaluation de l’étudiantNom du fichier Excel : My Records

Pondération

Mode d’évaluation Valeur en pourcentage

Travaux/quiz 5 %Pratiques/exercices 15 %Tests 20 %Examen final 60 %

XiX. auteur du moduleDr Onesmus Munyati est un chargé d’enseignement au Département de chimie à l’Université de Zambie, Zambie. Il détient un BSc en chimie de l’Université de Zambie qu’il a obtenu en 1989. Il détient aussi un MSc et un PhD en science et technologie des polymères qu’il a obtenus à UMIST, UK. Il est aussi l’auteur d’un module en lien avec celui-ci « Chimie physique 1 », que vous avez peut-être déjà étudié. L’auteur espère que votre parcours au cours de ce module a été agréable. Si vous avez des commentaires ou des suggestions pour améliorer ce module, veuillez le contacter à l’adresse suivante :

[email protected]

1

CHIMIE PHYSIQUE 2

Lecutures Obligatoires

Source: Wikipedia.org

2

Table des matières Enthalpie libre ..................................................................................................................................4

Définition .....................................................................................................................................4

Différentielle de G = H-TS ............................................................................................................5

Cas d'une pile réversible qui fonctionne à T et p constantes ......................................................6

Cas d’une réaction chimique à T et p constantes, irréversible par nature .................................7

Équilibre chimique ...........................................................................................................................8

Réaction chimique et avancement de réaction ..............................................................................9

Enthalpie libre de réaction ......................................................................................................... 10

Variation de l'enthalpie libre molaire en fonction de P à T constante ......................................... 11

Enthalpie libre standard de réaction .......................................................................................... 12

Équilibre chimique et constante d'équilibre ............................................................................... 14

Déplacement d'un équilibre chimique par ajout d'un réactif ou d'un produit ............................ 15

Colloïde ........................................................................................................................................... 16

Définition d'un colloïde ............................................................................................................... 17

Etat des connaissances sur les colloïdes ....................................................................................... 18

Connaissances chimiques ......................................................................................................... 18

Connaissances physiques ......................................................................................................... 18

Méthodes de fabrication des colloïdes ..................................................................................... 22

Exemples de colloïdes .................................................................................................................. 22

Les colloïdes alimentaires[1] ...................................................................................................... 22

Les colloïdes magnétiques ........................................................................................................ 22

Électrochimie .................................................................................................................................. 23

Description ................................................................................................................................. 23

Histoire de l'électrochimie .......................................................................................................... 23

Grands domaines d’applications ................................................................................................ 23

Électrosynthèse ....................................................................................................................... 24

Traitement de surface et corrosion ......................................................................................... 24

Stockage et la conversion de l’énergie ..................................................................................... 24

Méthodes d’analyse et de mesure ............................................................................................ 24

Environnement et biologie ...................................................................................................... 25

Grands concepts en électrochimie .............................................................................................. 25

3

Thermodynamique électrochimique ....................................................................................... 25

Cinétique électrochimique ...................................................................................................... 25

Mécanisme de réaction. Schéma carré .................................................................................... 25

Cinétique électrochimique .............................................................................................................. 26

Concepts de base ........................................................................................................................ 26

Expression simple des constantes de vitesse ............................................................................ 26

Constantes de vitesse et de phases adsorbées .......................................................................... 27

Études en régime stationnaire .................................................................................................... 28

Radioactivité.................................................................................................................................... 29

Historique ................................................................................................................................... 30

Les transformations nucléaires .................................................................................................... 31

Les transformations isobariques ............................................................................................... 31

L'émission alpha ...................................................................................................................... 33

Loi de désintégration radioactive ................................................................................................. 33

Interaction entre les rayonnements et la matière ......................................................................... 34

Mesure de radioactivité ............................................................................................................... 36

Grandeurs objectives ............................................................................................................... 36

Grandeurs subjectives .............................................................................................................. 36

Les réseaux de mesures ........................................................................................................... 37

Origines de la radioactivité .......................................................................................................... 37

Radioactivité naturelle ............................................................................................................. 39

Radioactivité artificielle ........................................................................................................... 40

Radioprotection .......................................................................................................................... 40

Risque sanitaire ....................................................................................................................... 40

Dose radiative ......................................................................................................................... 41

Dose équivalente ..................................................................................................................... 42

Radioprotection ....................................................................................................................... 42

4

Enthalpie libre

Aller à :Navigation, rechercher

La fonction enthalpie libre G a été introduite par

Willard Gibbs. Elle est associée au second principe de

la thermodynamique, principe d’évolution des

systèmes physico-chimiques.

Le second principe stipule que toute transformation

réelle s’effectue avec création d’entropie, c’est-à-dire

que le bilan entropique correspondant à la somme des

variations d'entropie du système et du milieu extérieur, est positif.

.

La fonction entropie peut être utilisée pour l’étude de l’évolution d’un système

thermodynamique. En effet pour un système isolé l’entropie passe par un maximum à l’équilibre

donc toute évolution doit aller dans ce sens.

En général, intuitivement on pense qu’un équilibre est atteint lorsque l’énergie est minimale.

C’est le cas de l’énergie potentielle (gravitation, électromagnétisme…). De plus dans le cas de

l’entropie il faut étudier en plus du système, l’évolution de l’entropie du milieu extérieur.

Gibbs a défini une nouvelle fonction qui prend en compte ces deux remarques.

L’enthalpie libre G se comporte en effet comme une fonction potentielle et intègre le

comportement du milieu extérieur. De plus elle est la fonction d'état la plus appropriée pour

étudier les équilibres chimiques réalisés à la température T et à pression constante ce qui est le

lot de nombreuses réactions effectuées à l'air libre, à la pression atmosphérique.

Définition []

Considérons une réaction chimique effectuée à la température T et à pression constante p. Le

travail n’est dû qu’aux forces de pression (pas de montage électrochimique donnant du travail

électrique). Soit QP la chaleur mise en jeu par le système réactionnel. Comme la pression p est

constante, la variation d'enthalpie du système est égale à la chaleur mise en jeu : ΔHsys = QP.

Appliquons le second principe :

Or la chaleur fournie par le système est reçue par le milieu extérieur, donc son signe change

(règle des signes) : − QP = − ΔHsys.

Potentiels thermodynamiques

Énergie interne U(S,V,N)

Énergie libre F(T,V,N) = U − TS

Enthalpie H(S,p,N) = U + pV

Enthalpie

libre

G(T,p,N) = U + pV −

TS

http://fr.wikipedia.org/wiki/Enthalpie_libre#head

http://fr.wikipedia.org/wiki/Enthalpie_libre#p-search

http://fr.wikipedia.org/wiki/Willard_Gibbs

http://fr.wikipedia.org/wiki/Second_principe_de_la_thermodynamique


http://fr.wikipedia.org/wiki/Entropie

http://fr.wikipedia.org/wiki/Syst%C3%A8me_thermodynamique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Syst%C3%A8me_thermodynamique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Fonction_d%27%C3%A9tat,_variable_d%27%C3%A9tat,_%C3%A9quation_d%27%C3%A9tat

http://fr.wikipedia.org/wiki/Travail_d%27une_force

http://fr.wikipedia.org/wiki/Transfert_thermique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Enthalpie

http://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A8gle_des_signes_%28thermodynamique%29

http://fr.wikipedia.org/wiki/Potentiel_thermodynamique

http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89nergie_interne

http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89nergie_libre

http://fr.wikipedia.org/wiki/Enthalpie

5

La variation d’entropie du milieu extérieur devient : .

Le bilan entropique s’écrit :

.

Multiplions les deux membres de cette inégalité par − T, on obtient :

.

On obtient la nouvelle fonction d’état

A température et pression constante

La réaction ne peut se produire que dans le sens correspondant à la diminution de la

fonction GT,p(sys) ; l’équilibre étant atteint pour le minimum de GT,p(sys).

Différentielle de G = H-TS []

dG = dH − TdS − SdT,

or H = U + pV

dH = dU + pdV + Vdp

dG = dU + pdV + Vdp − TdS − SdT

Premier principe :

Le travail correspond soit aux forces de pression − pdV soit au travail électrique dans un montage

de pile δW'.

Second principe :

http://fr.wikipedia.org/wiki/Premier_principe


6

d’où

Il s'ensuit:

Cas d'une pile réversible qui fonctionne à T et p constantes []

Une pile électrique est un dispositif particulier qui permet de transformer l'énergie chimique mise

en jeu au cours d'une réaction d'oxydo-réduction, en énergie électrique fournie au milieu

extérieur : W'. Si la pile débite sous une faible tension on peut considérer que la réaction se

produit de façon proche de la réversibilité et qu'ainsi, à chaque instant, l'état de la pile est proche

d'un état d'équilibre. Ce mode de fonctionnement peut être réalisé en introduisant dans le circuit

extérieur une contre tension proche, à un près, de la force électromotrice de la pile.

Dans ces conditions, à T et p constantes :

et pour une transformation finie :

La variation d’enthalpie libre dans une pile réversible correspond au travail électrique

fourni au milieu extérieur.

Si la pile n’est pas réversible comme toute pile réelle, le deuxième principe s’applique par

l’inégalité de Clausius (voir entropie): . En reprenant les calculs, on aboutit à

l’inégalité suivante :

Il s'ensuit: et comme le travail fourni par le système électrochimique est négatif

d'après la règle des signes, il faut prendre en compte la valeur absolue de ce travail :

http://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9versibilit%C3%A9_thermodynamique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Pile_%C3%A9lectrique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Oxydo-r%C3%A9duction

http://fr.wikipedia.org/wiki/Tension_%C3%A9lectrique

http://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9versibilit%C3%A9

http://fr.wikipedia.org/wiki/Force_%C3%A9lectromotrice


http://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A8gle_des_signes_%28thermodynamique%29

7

Le travail électrique fourni par la pile est plus important si la pile se rapproche d’un

fonctionnement réversible, c’est-à-dire avec un déséquilibre de tension faible.

L’irréversibilité se manifeste ici par effet Joule .

Cas d’une réaction chimique à T et p constantes, irréversible par nature []

S’il n’y a pas de montage de pile, il n’y a pas de travail électrique, δW' = 0.

La réaction chimique est irréversible et le deuxième principe s’applique par l’inégalité de

Clausius (voir entropie): .

Si on reprend les calculs de la différentielle dG, on obtient alors l’inégalité :

Or ici T et p sont constantes:

dGT,p(sys) < 0 et pour une réaction chimique réelle:

On peut exprimer la variation d'enthalpie libre en fonction de l'entropie créée:

, multiplions par − T

Il s'ensuit:

Par conséquent toute réaction chimique ne peut progresser que si l’enthalpie libre du

http://fr.wikipedia.org/wiki/Effet_Joule

http://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9versibilit%C3%A9_thermodynamique


8

système réactionnel diminue. Lorsque cette fonction atteint un minimum, le système est à

l’équilibre.

La fonction GT,p(sys) permet donc de définir le sens de la réaction et son positionnement à

l’équilibre. C’est la fonction la plus importante pour l’étude des équilibres chimiques.

Remarque: Un changement d'état physique peut être considéré comme une réaction chimique

particulière qui peut être effectuée en se rapprochant de la réversibilité. Par exemple la fusion de

la glace peut être effectuée à O°C + ε . Dans ce cas l'entropie créée est proche de zéro. Il s'ensuit

que . C'est pourquoi on parle alors d'équilibre de changement d'état.

Équilibre chimique

Un système chimique est à l'équilibre lorsque les variables intensives qui le décrivent

(température, pression et activités chimiques des réactifs et des produits) sont homogènes dans

tout le système et restent constantes au cours du temps.

Une réaction chimique ne se traduit pas toujours par la disparition complète des réactifs en étant

qualifiée alors de réaction totale. De nombreuses réactions sont partielles et aboutissent à un

équilibre entre les réactifs de départ et les produits de la réaction. L'ampleur de la réaction est

caractérisé par l'état d'avancement : . Lorsqu'une réaction est équilibrée, cela signifie que la

vitesse de la réaction dans le sens réactifs-produits est égale à la vitesse de la réaction dans le

sens produits-réactifs. L'état d'équilibre obtenu dans ce cas peut être qualifié de dynamique ou

stationnaire.

où sont des espèces chimiques, les coefficients stœchiométriques

et les vitesses de réaction.

Dans le cas de réactions élémentaires, c'est-à-dire s'effectuant en une seule étape, les vitesses

dépendent des concentrations , des espèces en présence, selon les

expressions:

L'égalité des vitesses des réactions opposées entraîne la relation suivante:

http://fr.wikipedia.org/wiki/Changement_d%27%C3%A9tat

http://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9versibilit%C3%A9

http://fr.wikipedia.org/wiki/Variable_intensive

http://fr.wikipedia.org/wiki/Temp%C3%A9rature

http://fr.wikipedia.org/wiki/Pression

http://fr.wikipedia.org/wiki/Activit%C3%A9_chimique

http://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9actif_%28chimie%29

http://fr.wikipedia.org/wiki/Produit_de_r%C3%A9action

http://fr.wikipedia.org/wiki/Avancement_de_r%C3%A9action

http://fr.wikipedia.org/wiki/Cin%C3%A9tique_chimique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Esp%C3%A8ce_chimique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Coefficient_stoechiom%C3%A9trique



http://fr.wikipedia.org/wiki/Concentration_molaire

9

Guldberg et Waage (1865), en s'inspirant de propositions de Berthollet, ont ainsi montré

empiriquement qu'il existait une relation entre les concentrations des espèces présentes à

l'équilibre en solution.

La constante d'équilibre , relative aux concentrations, a été appelée constante de Guldberg et

Waage ou constante de la loi d'action des masses.

Le développement ultérieur de la thermodynamique et l'application de la fonction enthalpie

libre : G aux réactions chimiques effectuées à température et pression constante, a permis de

démontrer cette loi d'action des masses et d'établir la relation formulée empiriquement par

Guldberg et Waage. Pour cela, il est nécessaire de définir précisément des grandeurs de réaction

indispensables à la compréhension des phénomènes : enthalpie libre de réaction, ,

enthalpie libre standard de réaction, , quotient de réaction, et constante d'équilibre,

. Ces outils permettent alors de prévoir le sens d'une réaction, le positionnement de

l'équilibre et la composition du système.

Le développement mathématique qui suit est plutôt difficile, mais il est essentiel pour

comprendre les relations, leurs conditions d'application et leurs limites.

Réaction chimique et avancement de réaction []

Considérons une réaction chimique effectuée à T et à pression constante dont l'équation

bilan est la suivante:

Les constituants du premier membre (réactifs) sont indicés ; ceux du second membre

(produits) étant indicés .

Lorsque la réaction progresse les constituants disparaissent alors que se forment les constituants

. Considérons une petite progression caractérisée par une variation élémentaire de l'état

d'avancement, de la réaction, et appelons , les variations élémentaires

du nombre de moles de chaque constituant, à ce stade de la réaction.

La réaction progresse en respectant la stœchiométrie de l'équation bilan ce qui implique que tous

les rapports sont égaux au signe près.

http://fr.wikipedia.org/wiki/Loi_d%27action_de_masse

http://fr.wikipedia.org/wiki/Berthollet

http://fr.wikipedia.org/wiki/Loi_d%27action_de_masse

http://fr.wikipedia.org/wiki/Enthalpie_libre


http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89quation_bilan

http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89quation_bilan



10

La variable peut donc être définie sur l'un quelconque des constituants et il existe une relation

entre et chaque constituant. La connaissance de permet donc de connaître la composition du

système. C'est donc une variable de composition.

Enthalpie libre de réaction []

La fonction enthalpie libre, G permet de définir le sens d'une réaction chimique effectuée à T et

P constante. Si la réaction est équilibrée, le minimum de G permet de définir l'équilibre et la

composition du système réactionnel. Il faut donc calculer G pour un avancement donné .

L'enthalpie libre est une grandeur extensive égale à la somme des enthalpies libres des

constituants du système (théorème d'Euler).

Soient les nombres de moles pour l'état et

les enthalpies libres molaires de chaque constituant

à T et P.

L'enthalpie libre molaire est une grandeur molaire partielle définie par la relation :

.

Il s'ensuit:

Pour une variation élémentaire :

or en tenant compte du signe négatif pour les réactifs .

Donc,

d'où

Regroupons les termes correspondant aux réactifs et aux produits .

est la dérivée de G par rapport à . Elle est égale à l'opposée de l'affinité

chimique . La connaissance de son signe permettra de connaître le sens de l'évolution

de G et donc le sens de la réaction. Lorsque cette dérivée sera nulle, la fonction G sera

minimale et le système réactionnel sera à l'équilibre.

L'expression est appelé enthalpie libre de

réaction à T,p et est formalisée par l'expression .


http://fr.wikipedia.org/wiki/Grandeur_extensive

http://fr.wikipedia.org/wiki/Th%C3%A9or%C3%A8me_d%27Euler

http://fr.wikipedia.org/wiki/Affinit%C3%A9_chimique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Affinit%C3%A9_chimique

11

Remarques: On exprime souvent l'enthalpie libre de réaction sans différencier les réactifs

des produits et l'enthalpie libre molaire est appelé potentiel chimique défini par la

relation: .

ce qui donne: .

Pour résumer

Variation de l'enthalpie libre molaire en fonction de P à T

constante []

Les valeurs d'enthalpies libres molaires de chaque constituant peuvent être calculées à partir de

tables thermodynamiques ( en réalité elles ne sont pas connues de façon absolue; une échelle

arbitraire d'enthalpie libre ayant été définie: voir enthalpie standard de formation) mais ces

valeurs correspondent à la pression standard P° = 1 bar. Il faut donc connaître la variation de

en fonction de P. De plus, même si la réaction est effectuée à pression constante, dans le cas d'un

mélange homogène de gaz, les pressions partielles de chaque gaz du mélange varient au cours de

la réaction à pression totale constante. C'est ce phénomène qui permet d'aboutir à un équilibre

correspondant au minimum de la fonction G.

Pour un corps pur la différentielle de G est égale à :

(voir enthalpie libre)

A température constante, la différentielle de l'enthalpie libre molaire est: .

Intégrons entre P° et P

Trois cas principaux peuvent se présenter :

http://fr.wikipedia.org/wiki/Potentiel_chimique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Enthalpie_standard_de_formation

http://fr.wikipedia.org/wiki/Pression_partielle


12

Le système ne comprend que des phases condensées (solides ou liquides) séparées. Le

milieu est hétérogène.

Le système comprend un mélange de gaz (considérés comme parfait: système idéal).

Le système est une solution contenant des espèces moléculaires ou ioniques.

Les phases condensées sont peu compressibles. Si la variation de pression n'est pas trop

importante ( quelques dizaines de bar), le volume molaire variera peu et on peut dans ce cas

considérer que V est pratiquement constant.

Il est même possible de considérer, avec une bonne approximation que (appelée

enthalpie libre molaire standard à T équivalente au potentiel chimique, ).

Dans le cas d'un système composé d'un mélange de gaz parfaits, l'évolution en fonction de P ne

peut plus être négligée car les gaz sont compressibles. Si on applique l'équation d'état du gaz

parfait:

si n est égal à 1 mol.

d'où

Enthalpie libre standard de réaction []

La dérivée de par rapport à est égale à l'enthalpie libre de réaction, .

Remplaçons les enthalpies libres molaires par leur expression en fonction de P

http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89quation_d%27%C3%A9tat

http://fr.wikipedia.org/wiki/Gaz_parfait

http://fr.wikipedia.org/wiki/Gaz_parfait

13

Pour les gaz:

Pour les solides ou liquides:

On regroupe les termes standards et les termes correspondant aux gaz .

L'expression regroupant les termes standards correspond à l'enthalpie libre standard de

réaction à T. C'est une constante qui est accessible à partir des tables thermodynamiques.

Les termes relatifs aux gaz peuvent être regroupés sous le logarithme; chaque somme devenant

un produit.

L'expression sous le logarithme regroupant les pressions partielles de chaque gaz est appelée

quotient de réaction: .

Ces pressions partielles ne sont pas les pressions de l'équilibre car le système est hors

équilibre.

Cette relation, établie dans le cas d'un mélange de gaz parfaits formant un système idéal, peut

être généralisée aux systèmes contenant des gaz réels ou des solutions. Il suffit de remplacer les

pressions partielles par l'activité chimique de chaque constituant.

http://fr.wikipedia.org/wiki/Pression_partielle

http://fr.wikipedia.org/wiki/Activit%C3%A9_chimique

14

Équilibre chimique et constante d'équilibre []

Diagramme représentant l'enthalpie libre à pression et température constantes en fonction de

l'avancement de réaction.

Le deuxième principe de la thermodynamique implique que pour une réaction chimique

effectuée à T et P constante la fonction ne peut que décroître. Donc sa dérivée doit être

négative:

Cette propriété est le critère d'évolution de tout système chimique.

Lorsque la dérivée s'annule, la fonction est minimale. Cela signifie que le système

réactionnel est à l'équilibre: . Dans ces conditions les pressions partielles sont celles de

l'équilibre. Le quotient de réaction devient égal à la constante d'équilibre: relative aux

pressions partielles.

http://fr.wikipedia.org/wiki/Deuxi%C3%A8me_principe_de_la_thermodynamique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:Diag_eq.svg

http://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:Diag_eq.svg

15

L'équilibre est atteint :

On reconnait alors l'expression de la constante d'équilibre appelée aussi constante de la loi

d'action des masses.

À l'équilibre:

d'où

Dans le cas d'une solution idéale on peut remplacer les activités chimiques par les concentrations

et on définit la constante, relative aux concentrations.

L'enthalpie standard de réaction, , ne permet pas de définir le sens d'une réaction car il

faut connaître les conditions initiales définies par le quotient de réaction, . En revanche elle

permet de calculer la constante d'équilibre, .

Déplacement d'un équilibre chimique par ajout d'un réactif

ou d'un produit []

Article détaillé : Déplacement d'équilibre.

Considérons un système réactionnel à l'équilibre: ; .

http://fr.wikipedia.org/wiki/D%C3%A9placement_d%27%C3%A9quilibre

16

Si l'on modifie l'activité d'un constituant, le quotient de réaction varie et n'est plus égal à

la constante d'équilibre:

et

d'où

Supposons que l'on augmente l'activité d'un réactif

, le quotient de réaction relatif aux activités va diminuer.

donc

ce qui implique que : la réaction progresse.

Si l'on augmente l'activité d'un produit , on obtient le phénomène inverse et la réaction

régresse.

Colloïde

17

Le lait est une solution colloïdale de globules gras dans une solution à base d'eau.

Un colloïde est une substance sous forme de liquide ou galénique semi-solide sous laquelle

peuvent se présenter des préparations pharmaceutiques, cosmétiques, etc. qui contient en

suspension des particules suffisamment petites pour que le mélange soit homogène. Il ne diffuse

pas à travers les membranes sémi-perméables, et, dans un fluide, il forme une dispersion

homogène de particules dont les dimensions vont de 2 à 200 nanomètres. Ces particules ont donc

la taille d'une nanoparticule, même si elles ne sont pas spécifiquement considérées en tant que

telles.

Les colles et les gels sont des colloïdes et forment des suspensions dites colloïdales. Les

suspensions colloïdales sont intermédiaires entre les suspensions (particules de taille supérieure à

200 nm) et les solutions vraies (particules de taille inférieure à 2 nm).

La pectine (polysaccharide), certaines protéines, telles l'ovalbumine ou la gélatine, forment des

solutions colloïdales, dites macromoléculaires et permettent de fabriquer des flans et des gelées.

D'autres glucides de haut poids moléculaire, tels l'amidon ou la cellulose, peuvent également

former des colloïdes. Les peintures sans odeur, le lait ou le plasma sanguin sont des solutions

colloïdales. Les métaux, comme l'argent (Collargol) ou l'or, peuvent se présenter sous forme de

solution colloïdale, bien qu'il s'agisse plutôt de micro-suspension. Les composés tensio-actifs

(détergents) forment des solutions colloïdales dites micellaires. Les pellicules photographiques

sont des gels.

Définition d'un colloïde []

Un colloïde désigne toute substance comportant deux phases distinctes, et dont les particules

d'une phase, discontinue, sont bien plus petites, et diffusées dans l'autre phase.

On distingue différentes catégories de colloïdes selon la nature des phases en présence :

http://fr.wikipedia.org/wiki/Liquide

http://fr.wikipedia.org/wiki/Forme_gal%C3%A9nique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Cosm%C3%A9tique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Nanoparticule

http://fr.wikipedia.org/wiki/Colle

http://fr.wikipedia.org/wiki/Gel

http://fr.wikipedia.org/wiki/Suspension_%28chimie%29

http://fr.wikipedia.org/wiki/Solution_%28chimie%29

http://fr.wikipedia.org/wiki/Pectine

http://fr.wikipedia.org/wiki/Prot%C3%A9ine

http://fr.wikipedia.org/wiki/Ovalbumine

http://fr.wikipedia.org/wiki/G%C3%A9latine

http://fr.wikipedia.org/wiki/Glucide

http://fr.wikipedia.org/wiki/Amidon

http://fr.wikipedia.org/wiki/Cellulose

http://fr.wikipedia.org/wiki/Peinture

http://fr.wikipedia.org/wiki/Lait

http://fr.wikipedia.org/wiki/M%C3%A9tal

http://fr.wikipedia.org/wiki/Argent_%28m%C3%A9tal%29

http://fr.wikipedia.org/wiki/Or

http://fr.wikipedia.org/wiki/Tensio-actif

http://fr.wikipedia.org/wiki/D%C3%A9tergent

http://fr.wikipedia.org/wiki/Micelles

http://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:Milk.jpg

http://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:Milk.jpg

18

Milieu / Phase Phase dispersée

Gaz Liquide Solide

Milieu

continu

Gaz

AUCUN

(Tous les gaz sont miscibles)

Aérosol liquide

Exemples : brouillard,

brume, nuage

Aérosol solide

Exemples : fumée,

particules aériennes

Liquide

Mousse

Exemples : crème fouettée,

mousse au chocolat

Émulsion

Exemples : lait,

mayonnaise, savon liquide

Sol

Exemples : peinture,

encre

Solide

Mousse solide

Exemples : aérogel, polystyrène

expansé, pierre ponce

Gel

Exemples : gélatine, gelée,

fromage, opale

Sol solide

Exemple : verre

groseille

Par abus de langage, on verra souvent l'appellation colloïde désigner seulement la phase diffusée

(la plus "fine").

Etat des connaissances sur les colloïdes []

Connaissances chimiques []

La stabilité d'une solution colloïdale résulte de l'équilibre entre les interactions attractives et les

interactions répulsives qui s'exercent sur les particules. Ces interactions dépendent notamment de

la température, du pH et des électrolytes dissous : les argiles et limons forment des solutions

colloïdales qui floculent en présence de métaux ou de sels, ce qui explique l'envasement des

estuaires.

Néanmoins, cette stabilité est plus cinétique que réellement thermodynamique[1]

.

En effet, la sédimentation de la phase diffusée et donc la séparation des deux phases est l'état

final de tout colloïde (cf. courbes de potentiels thermodynamiques du système). C'est la vitesse

de ce phénomène de floculation/sédimentation, très lente, qui donne cette apparence de stabilité.

Connaissances physiques []

(en) Cet article est partiellement ou en totalité issu d’une traduction de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Colloid » (voir la page de discussion). du 01/07/2009

http://fr.wikipedia.org/wiki/Gaz


http://fr.wikipedia.org/wiki/Solide


http://fr.wikipedia.org/wiki/Miscibilit%C3%A9

http://fr.wikipedia.org/wiki/A%C3%A9rosol

http://fr.wikipedia.org/wiki/Brouillard

http://fr.wikipedia.org/wiki/Brume

http://fr.wikipedia.org/wiki/Nuage

http://fr.wikipedia.org/wiki/A%C3%A9rosol

http://fr.wikipedia.org/wiki/Fum%C3%A9e

http://fr.wikipedia.org/wiki/Particules_en_suspension


http://fr.wikipedia.org/wiki/Mousse_%28physique%29

http://fr.wikipedia.org/wiki/Cr%C3%A8me_fouett%C3%A9e

http://fr.wikipedia.org/wiki/Mousse_au_chocolat

http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89mulsion


http://fr.wikipedia.org/wiki/Mayonnaise

http://fr.wikipedia.org/wiki/Sol_%28collo%C3%AFde%29

http://fr.wikipedia.org/wiki/Peinture

http://fr.wikipedia.org/wiki/Encre

http://fr.wikipedia.org/wiki/Solide

http://fr.wikipedia.org/wiki/A%C3%A9rogel

http://fr.wikipedia.org/wiki/Polystyr%C3%A8ne

http://fr.wikipedia.org/wiki/Ponce

http://fr.wikipedia.org/wiki/Gel_%28mat%C3%A9riau%29

http://fr.wikipedia.org/wiki/G%C3%A9latine

http://fr.wikipedia.org/wiki/Gel%C3%A9e

http://fr.wikipedia.org/wiki/Fromage

http://fr.wikipedia.org/wiki/Opale

http://fr.wikipedia.org/wiki/Verre_groseille

http://fr.wikipedia.org/wiki/Verre_groseille

http://fr.wikipedia.org/wiki/Interaction_attractive

http://fr.wikipedia.org/w/index.php?title=Interaction_r%C3%A9pulsive&action=edit&redlink=1


http://fr.wikipedia.org/wiki/Potentiel_hydrog%C3%A8ne

http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89lectrolyte

http://fr.wikipedia.org/wiki/Argile

http://fr.wikipedia.org/wiki/Limon_%28roche%29

http://fr.wikipedia.org/wiki/Floculation

http://fr.wikipedia.org/wiki/M%C3%A9tal

http://fr.wikipedia.org/wiki/Sel_%28chimie%29

http://fr.wikipedia.org/wiki/Estuaire

http://fr.wikipedia.org/wiki/Cin%C3%A9tique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Thermodynamique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Thermodynamique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Anglais

http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Colloid&oldid=cur

http://fr.wikipedia.org/wiki/Discussion:Collo%C3%AFde

19

Interactions interparticulaires []

Les forces suivantes jouent un rôle important dans l'intéraction entre particules colloïdales :

Répulsion par volume exclu : Des particules solides (corps durs) ne peuvent s'interpénétrer. Interaction électrostatique : Les particules colloïdales portent souvent des charges

électrostatiques ce qui les fait s'attirer ou se repousser. Les charges contenues dans la phase continue (ions en solution) ainsi que la mobilité des deux phases affectent cette interaction.

Forces de van der Waals : Elles sont dues à l'interaction entre deux dipôles pouvant être aussi bien permanent qu'induis. Une particule n'ayant pas de moment dipolaire permanent peut en acquérir un temporairement suite à une fluctuation de densité électronique. Un tel dipôle temporaire peut induire un dipôle dans une particule voisine. Le dipôle temporaire et le dipôle induit s'attirent alors l'un l'autre. Les forces de Van der Waals sont toujours présentes sauf s'il y a égalité entre les indices de réfraction des deux phases. Ces forces sont de courte portée et attractives.

Forces entropiques : D'après le deuxième principe de la thermodynamique, un système évolue vers un état qui maximise son entropie. Il peut en résulter des forces effectives même entre des sphères dures.

Forces stériques : Des surfaces couvertes de polymères ou des polymères non adsorbés en solution peuvent produire une répulsion stérique supplémentaire ou, plus étonnant, une attraction par déplétion. Ces deux effets sont principalement d'origine entropique.

Stabilisation d'une dispersion colloïdale (peptisation) []

On cherche à stabiliser une dispersion colloïdale en empêchant l'agrégation des particules de la

phase dispersée. Les deux principaux mécanismes sont la stabilisation stérique et la stabilisation

électrostatique. La stabilisation électrostatique est basée sur la répulsion des charges de même

signe. Des phases différentes ont souvent des affinité électrostatiques différentes ce qui provoque

la formation d'une double couche électrique à l'interface. Dans un milieu dispersé, l'aire de

l'interface est d'autant plus importante que les particules sont petites. Dans une dispersion

colloïdale stable la masse de la phase dispersée est trop faible pour que la gravité vainque la

répulsion électrostatique. La charge portée par les particules peut être observée en appliquant un

champ électrique : toutes les particules migrent alors vers la même électrode ce qui indique

qu'elles portent des charges du même signe

Destabiliser une dispersion colloïdale (floculation) []

Lorsque les particules s'agrègent à cause des interactions interparticulaires, on parle de

dispersion instable. Certaines applications (traitement des eaux usées, épitaxie de cristal

colloïdal) demandent de provoquer une telle floculation. On peut y parvenir suivant différent

procédés :

Suppression de la barrière électrostatique qui empêche l'agrégation via l'ajout de sel ou la modification du pH. Ces méthodes neutralisent ou "écrantent" les charges portée par les particules. Celle-ci se rapprochent alors à portée des forces de Van der Waals qui les coagulent entre elles.

http://fr.wikipedia.org/w/index.php?title=Volume_exclu&action=edit&redlink=1

http://fr.wikipedia.org/wiki/Loi_de_Coulomb_%28%C3%A9lectrostatique%29

http://fr.wikipedia.org/wiki/Forces_de_van_der_Waals

http://fr.wikipedia.org/w/index.php?title=Forces_entropiques&action=edit&redlink=1

http://fr.wikipedia.org/wiki/Deuxi%C3%A8me_principe_de_la_thermodynamique


http://fr.wikipedia.org/wiki/Effet_st%C3%A9rique

http://fr.wikipedia.org/wiki/D%C3%A9pl%C3%A9tion

http://fr.wikipedia.org/w/index.php?title=Th%C3%A9orie_DLVO&action=edit&redlink=1

http://fr.wikipedia.org/w/index.php?title=Th%C3%A9orie_DLVO&action=edit&redlink=1

http://fr.wikipedia.org/wiki/Double_couche_%C3%A9lectrique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Floculation

20

Ajout d'un polymère chargé de façon opposée aux particules ce qui lui permet de former des ponts entre elles. Par exemple des particules de silice ou d'argile chargées négativement peuvent floculer par l'addition d'un polymère chargé positivement.

Ajout d'un polymère non adsorbant pour induire une attraction de déplétion. La déformation des particules peut augmenter les forces de Van der Waals, leur faisant dépasser

les forces de stabilisation. Les colloïdes coagulent alors suivant certaines orientations.

Les suspensions colloïdales de basse fraction volumique forment des suspensions d'agrégats qui

finissent par sédimenter (ou crèmer) lorsque leur taille devient trop importante pour que

l'agitation thermique (mouvement brownien) puisse contrebalancer la gravité. Les suspensions de

haute fraction volumique forment des gels colloïdaux aux propriétés viscoélastiques. Le

dentifrice par exemple coule lorsqu'il est poussé hors du tube mais reste ensuite sur la brosse à

dent.

Technique d’analyse de la stabilité physique []

La diffusion multiple de la lumière couplée à un balayage vertical est la technique la plus

employée pour suivre l’état de dispersion d’un produit, et par là même identifier et quantifier les

phénomènes d’instabilité[2][3][4][5]

. Elle fonctionne avec les dispersions concentrées, sans dilution.

Quand la lumière est envoyée dans l’échantillon, elle est rétrodiffusée par les particules / gouttes.

L’intensité rétrodiffusée est directement proportionnelle à la taille et à la fraction volumique de

la phase dispersée. Ainsi, les variations locales de concentration (crémage, sédimentation) et les

variations globales de la taille (floculation, coalescence) sont détectées et suivies.

http://fr.wikipedia.org/wiki/Mouvement_brownien

http://fr.wikipedia.org/w/index.php?title=Visco%C3%A9lastique&action=edit&redlink=1

http://fr.wikipedia.org/wiki/Dentifrice

http://fr.wikipedia.org/wiki/Collo%C3%AFde#cite_note-1




http://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:MLS_scan.gif

21

Méthodes d’accélération pour la prédiction de la durée de vie []

Le processus cinétique de déstabilisation peut prendre du temps (jusqu’à plusieurs mois, voire

plusieurs années pour certains produits) et ainsi, le formulateur doit utiliser des méthodes

d’accélération, afin d’obtenir des durées de développement acceptables. Les méthodes

thermiques sont les plus employées et consistent à augmenter la température afin d’accélérer les

déstabilisations (en restant en deçà des températures critiques d’inversion de phase et de

dégradations chimiques). La température n’affecte pas seulement la viscosité, mais également la

tension interfaciale dans le cas des tensioactifs non-ioniques et plus généralement les forces

d’interactions à l’intérieur du système. En stockant la dispersion à hautes températures, on

simule les conditions de vie réelles d’un produit (par exemple un tube de crème solaire dans une

voiture en été), mais également on accélère les processus de déstabilisation jusqu’à 200 fois.

L’accélération mécanique incluant la vibration, la centrifugation et l’agitation, sont parfois

utilisée. Elles soumettent le produit à différentes forces qui poussent les particules / gouttes les

unes contre les autres, aidant ainsi au drainage du film. Cependant, des émulsions ne

coalesceraient jamais sous une gravité normale, alors qu’elles le font sous gravité artificielle[6]

.

De plus, des phénomènes de ségrégation de différentes populations de particules ont été mises en

évidence en utilisant la centrifugation et la vibration[7]

.

Un modèle d'atome []

Les physiciens ne pouvant bien souvent pas voir les atomes directement, il leur arrive d'utiliser

les colloïdes comme modèle simpliste mais aisément observable. On retrouve chez les colloïdes

les forces qui gouvernent la structure et le comportement de la matière atomique. On retrouve les

analogues colloïdaux des transitions de phase (cristallisation, interface entre un liquide de

colloïdes et un gaz de colloïdes, point critique, etc.). Des particules colloïdales ayant une taille

proche du micron peuvent être observées avec un microscope optique comme par exemple un

microscope confocal. La taille (~104 fois celle d'un atome) implique également une dynamique

plus lente qui peut être ainsi aisément observée en temps réel.

Cristaux Colloïdaux []

Microscopie électronique d'un cristal colloïdal composé de silica amorphe hydraté (diamètre d'une

particule : 600 nm)



http://fr.wikipedia.org/wiki/Atomes

http://fr.wikipedia.org/wiki/Mod%C3%A8le

http://fr.wikipedia.org/wiki/Transitions_de_phase

http://fr.wikipedia.org/wiki/Microscope_optique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Microscope_confocal

http://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:Coll_3.jpg

http://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:Coll_3.jpg

22

Un cristal colloïdal est un réseau ordonné de particules pouvant s'étendre loin dans l'espace

(typiquement de l'ordre d'un millimètre voir d'un centimètre) et qui semblent analogues aux

cristaux atomiques ou moléculaires [8]

. La nature fournit l'exemple de l'opale, une pierre

précieuse dont les régions de couleur spectralement pures sont en fait un cristal colloïdal de

sphères de silice (SiO2)[9][10]

Ces particules sphériques ont précipité dans des étangs à forte teneur

en silice et ont formé cet empilement périodique après des années de sédimentation et de

compression sous l'action des forces hydrostatiques et de gravitation. La périodicité des cristaux

colloïdaux laisse des vides régulièrement espacés, typiquement de quelque centaines de nm, qui

agissent comme un réseau de diffraction optique pour les ondes électromagnétiques, en

particulier la lumière visible.[11][12]

En effet, on sait depuis longtemps qu'à cause de la répulsion éléctrostatique, des particules

chargées dans un milieu aqueux peuvent exhiber des corrélations à longue distance similaires à

celles d'un cristal avec des séparation interparticulaires souvent bien plus grandes que la taille

des particules elles-mêmes. Ces phénomènes sont toujours associés à une iridescence attribuée à

la diffraction de la lumière visible.

Les nombreuses expériences qui ont exploré la physique et la chimie de ces cristaux colloïdaux

ont permis l'émergence de techniques relativement simples de synthèse de colloïdes

monodispersés. [13]

.

Méthodes de fabrication des colloïdes []

à venir (pour l'instant, se référer à emulsion, section "technologie")

Exemples de colloïdes []

Certaines peintures, ce qu'on appelle couramment aérosols comme la laque ou les déodorants,

mais aussi certains aliments sont des colloïdes.

Les colloïdes alimentaires[1] []

On rencontre couramment de nombreux colloïdes parmi nos aliments. Quelques exemples:

la mousse, qui est une catégorie de colloïdes à part entière (gaz dans liquide); la crème glacée, qui est un mélange d'air et de crème; les yaourts. certains boissons anisées alcoolisées, lorsque mélangées à l'eau (pastis)

Les colloïdes magnétiques []

On fabrique aussi, pour des besoins industriels[14]

, de petites billes de polymères qui sont

destinées à être diffusées dans des liquides, notamment de l'eau, et qui auront alors un

comportement de colloïde.

http://fr.wikipedia.org/wiki/Cristal


http://fr.wikipedia.org/wiki/Opale

http://fr.wikipedia.org/wiki/Lumi%C3%A8re_visible

http://fr.wikipedia.org/wiki/Silice



http://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9seau_de_diffraction_optique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Ondes_%C3%A9lectromagn%C3%A9tiques

http://fr.wikipedia.org/wiki/Lumi%C3%A8re_visible




http://fr.wikipedia.org/wiki/Emulsion

http://fr.wikipedia.org/wiki/Collo%C3%AFde#cite_note-note1-0

http://fr.wikipedia.org/wiki/Mousse_%28physique%29


http://fr.wikipedia.org/wiki/Polym%C3%A8re

23

Souvent en polystyrène, ces petites billes peuvent subir un traitement particulier : l'intégration de

poudre de fer lors de la synthétisation du polymère permet de rendre ces objets sensibles aux

phénomènes électro-magnétiques.

Dès lors, les billes répandues dans un liquide seront sensibles aux champs électriques. En

particulier, elles vont s'organiser de façon ordonnée en fonction de ce champ, en se comportant

comme des dipôles électriques induits.

Les colloïdes magnétiques ont des applications notamment dans la biochimie, en tant

qu'éléments constitutifs d'une méthode de séparation[15]

permettant d'obtenir des résultats

similaires à l'électrophorèse ou à la chromatographie.

Électrochimie

L’électrochimie est la discipline scientifique qui s’intéresse aux relations entre la chimie et

l’électricité. Elle décrit les phénomènes chimiques couplés à des échanges réciproques d’énergie

électrique. L'électrochimie comprend toutes technologies et techniques issues de ses travaux

scientifiques (électrolyse, corrosion, piles, batteries, électrodéposition...).

De plus, l’électrochimie s’intéresse à des systèmes hétérogènes comportant aux deux extrémités

des matériaux conducteurs électroniques (métal, carbone…) et, entre ces deux conducteurs, au

moins un matériau conducteur ionique (électrolyte liquide ou gélifié, sel fondu…).

Description []

Les réactions électrochimiques sont les phénomènes qui ont lieu à l'interface de deux systèmes

conducteurs (électronique et ionique) lors du transfert de charge composé de un ou plusieurs

électrons. Ces transferts de charges s'accompagnent de modification des états d'oxydation des

matériaux (oxydation ou réduction) et donc de leur nature physico-chimique (dépôt métallique,

évolution de gaz, formation d'espèces radicalaires, réactions chimiques couplées…). L'ensemble

des réactions élémentaires peut ainsi atteindre un haut niveau de complexité. L'électrochimie

permet de mieux appréhender les phénomènes d'oxydo-réduction et de corrosion.

Remarque : une jonction PN entre deux semi-conducteurs n’est pas du ressort de

l’électrochimie, mais de la physique du solide.

Histoire de l'électrochimie []

Article détaillé : histoire de l'électrochimie.

Grands domaines d’applications []

On classe généralement les applications industrielles de l’électrochimie dans 5 grandes

catégories :

http://fr.wikipedia.org/wiki/Polystyr%C3%A8ne


http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89lectrophor%C3%A8se

http://fr.wikipedia.org/wiki/Chromatographie

http://fr.wikipedia.org/wiki/Discipline_%28sp%C3%A9cialit%C3%A9%29

http://fr.wikipedia.org/wiki/Chimie

http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89lectricit%C3%A9

http://fr.wikipedia.org/wiki/Technologie

http://fr.wikipedia.org/wiki/Technique

http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89lectrolyse

http://fr.wikipedia.org/wiki/Corrosion

http://fr.wikipedia.org/wiki/Piles

http://fr.wikipedia.org/wiki/Batteries

http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89lectrod%C3%A9position

http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89lectrolyte

http://fr.wikipedia.org/wiki/Sel_%28chimie%29

http://fr.wikipedia.org/wiki/Charge_%C3%A9lectrique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Oxydo-r%C3%A9duction


http://fr.wikipedia.org/wiki/Semi-conducteur

http://fr.wikipedia.org/wiki/Histoire_de_l%27%C3%A9lectrochimie

24

Électrosynthèse []

L’électrosynthèse est parfois utilisé dans l’industrie chimique lourde au détriment d’une

synthèse par voie thermique, les procédés d’électrosynthèse étant généralement plus facilement

contrôlables et sélectifs. Les principales matières premières produites par électrosynthèse sont :

l’aluminium (env. 24 Mtonnes/an), le dichlore et la soude (env. 40 Mtonnes/an). On produit

également en quantité moindre du difluor, du lithium, du sodium, du magnésium et du

dihydrogène.

On rangera dans la même catégorie la purification de certains métaux par électroaffinage

(notamment le cuivre, le zinc et l’aluminium).

Traitement de surface et corrosion []

Les traitements de surface et la corrosion. Les traitements de surface par voie électrochimique

sont nombreux car l’électrochimie permet de bien contrôler la nature et la qualité du dépôt. Ce

dépôt de métal (nickel, zinc, or...) de quelques micromètres d'épaisseur (1 à 10 micromètres) joue

un rôle esthétique ou de protection contre la corrosion. Les méthodes électrochimiques peuvent

aussi servir à la restauration d’objets anciens.

Stockage et la conversion de l’énergie []

Les Piles et accumulateur électrique sont des générateurs électrochimiques. Les accumulateurs se

distinguent des piles par le fait qu'ils sont électriquement rechargeables. Leur domaine est en

pleine expansion.

Dans des applications de type « grand public » comme les batteries pour téléphones

portables.

Dans les applications professionnelles, les plus courantes sont les batteries au Plomb,

elles assurent le rôle de source d'énergie auxiliaire des véhicules automobiles permettant

entre autres, leur mise en route.

D'autres types d'accumulateurs, plus sophistiquées, commencent à jouer un grand rôle

dans les véhicules hybrides; ils stockent l'énergie récupérée par l'intermédiaire de

générateurs lors des freinages et, la restituent avec des moteurs électrique lors des phases

d'accélération : exemple, certains modèles Toyota.

D'autre part, de nombreuses recherches sont aujourd’hui effectuées dans le domaine des

piles à combustible afin d'équiper ces mêmes véhicules. Ceci bien que la ressource en

hydrogène propre soit encore hypothétique.

Les supercondensateurs sont des condensateurs (capacités) aptes à accumuler rapidement une

grande quantité d'énergie électrique puis de servir de générateurs. Les électrodes ne sont pas

réactives, on parle d'électrode bloquante. Les ions de l'électrolyte s'accumulent aux électrodes à

la charge et rétablissent l'électroneutralité lors de la décharge.

Méthodes d’analyse et de mesure []

http://fr.wikipedia.org/wiki/Aluminium

http://fr.wikipedia.org/wiki/Chlore

http://fr.wikipedia.org/wiki/Soude

http://fr.wikipedia.org/wiki/Fluor

http://fr.wikipedia.org/wiki/Lithium

http://fr.wikipedia.org/wiki/Sodium

http://fr.wikipedia.org/wiki/Magn%C3%A9sium

http://fr.wikipedia.org/wiki/Dihydrog%C3%A8ne

http://fr.wikipedia.org/wiki/Cuivre

http://fr.wikipedia.org/wiki/Zinc



http://fr.wikipedia.org/wiki/Pile_%C3%A9lectrique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Accumulateur_%C3%A9lectrique

http://fr.wikipedia.org/wiki/G%C3%A9n%C3%A9rateur

http://fr.wikipedia.org/wiki/T%C3%A9l%C3%A9phone_portable

http://fr.wikipedia.org/wiki/T%C3%A9l%C3%A9phone_portable

http://fr.wikipedia.org/wiki/Batterie_au_plomb

http://fr.wikipedia.org/wiki/Automobile

http://fr.wikipedia.org/wiki/V%C3%A9hicule_hybride

http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89nergie

http://fr.wikipedia.org/wiki/Toyota_%28entreprise%29

http://fr.wikipedia.org/wiki/Pile_%C3%A0_combustible

http://fr.wikipedia.org/wiki/Hydrog%C3%A8ne

http://fr.wiktionary.org/wiki/hypoth%C3%A9tique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Supercondensateur

25

Du fait de leur faible coût, on utilise de plus en plus de capteurs électrochimiques. Le plus simple

d’entre eux est l’électrode à pH. Le plus utilisé est le capteur à dioxygène, notamment pour

l’analyse des gaz de combustion. Les capteurs électrochimiques ont aussi de nombreuses

applications dans le domaine biomédical ou pour l’analyse de la pollution.

L'appareil de mesure le plus utile à l'électrochimie s'appelle le potentiostat ou galvanostat.

La cellule électrochimique la plus courante est la cellule à trois électrodes: L'électrode de travail

et la contre électrode entre lesquelles passe le courant. L'électrode de référence (ou

impolarisable) qui permet d'évaluer la différence de potentiel entre l'électrode de travail et

l'électrolyte.

Environnement et biologie []

Dans ce domaine en forte expansion, les techniques électrochimiques permettent la séparation

(électrodialyse), la récupération, la concentration ou la destruction de certains éléments. Un

exemple type d’application est le dessalement des eaux saumâtres par électrodialyse.

Grands concepts en électrochimie []

La complexité des phénomènes électrochimiques alliant aux étapes de transfert de charge

élémentaire (le départ ou l'arrivée d'un électron, selon que l'on étudie une oxydation ou une

réduction) des réactions chimiques de transfert de matière, peut être étudiée de façon analytique

et détaillée ou bien de façon globale. Dans la première approche on va s'occuper de chaque étape

élémentaire, étudier sa cinétique et son interaction sur les étapes précédentes ou suivantes. Dans

la deuxième approche on va étudier les grands équilibres d'une réaction globale, réaliser les

bilans énergétiques et thermiques, c'est l'approche thermodynamique.

Thermodynamique électrochimique []

Cette section est vide, pas assez détaillée ou incomplète. Votre aide est la bienvenue !

Cinétique électrochimique []

Article détaillé : Cinétique électrochimique.

Mécanisme de réaction. Schéma carré []

La méthode la plus rigoureuse pour analyser tous les chemins réactionnels d'une réaction

électrochimique couplée à des réactions chimiques est de représenter sur un axe horizontal les

réactions électrochimiques élémentaires et sur un axe vertical les réactions chimiques couplées.

(Méthode de Jacq).

Analysons par exemple l'oxydation de l'hydroxyde de nickel en milieu aqueux alcalin :

http://fr.wikipedia.org/wiki/Capteur

http://fr.wikipedia.org/wiki/Potentiel_hydrog%C3%A8ne

http://fr.wikipedia.org/wiki/Dioxyg%C3%A8ne


http://fr.wikipedia.org/wiki/Combustion

http://fr.wikipedia.org/wiki/Biom%C3%A9dical

http://fr.wikipedia.org/wiki/Pollution

http://fr.wikipedia.org/wiki/Potentiostat

http://fr.wikipedia.org/w/index.php?title=Galvanostat&action=edit&redlink=1

http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89lectrodialyse

http://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9cup%C3%A9ration

http://fr.wikipedia.org/wiki/Concentration_massique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Destruction

http://fr.wikipedia.org/wiki/Eau_saum%C3%A2tre

http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89lectron

http://fr.wikipedia.org/wiki/Oxydation

http://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9duction

http://fr.wikipedia.org/w/index.php?title=%C3%89lectrochimie&action=edit

http://fr.wikipedia.org/wiki/Cin%C3%A9tique_%C3%A9lectrochimique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Cin%C3%A9tique_%C3%A9lectrochimique

26

Il apparait simplement que se forme par oxydation monoélectronique et perte d'un proton la

forme oxy-hydroxy NiOOH à la valence III, puis une autre oxydation avec perte du deuxième

proton conduit à l'oxyde de Nickel NiO2 à la valence IV. L'existence de divers chemins

réactionnels associés à diverses espèces ioniques intermédiaires peuvent être envisagés; leur

identification demeure très complexe dans ce cas.

Cinétique électrochimique

La cinétique électrochimique s'intéresse à l'étude de la vitesse des réactions électrochimiques.

Une réaction électrochimique est une réaction d'oxydo-réduction inter faciale : la réaction a lieu à

l'interface entre une électrode et un électrolyte. Deux processus complémentaires interviennent

dans la réaction électrochimique :

le transfert électronique entre l'électrode et l'électrolyte

le transport de matière de ces espèces redox du sein de la solution jusqu'à la surface de

l'électrode : ce transport peut avoir lieu par diffusion, convection et migration

Concepts de base []

En première approche on peut traiter une étape élémentaire de transfert de charge en suivant le

modèle de Butler-Volmer que l'on doit à John Alfred Valentine Butler et à Max Volmer. La loi

de vitesse est donné par la relation de Butler-Volmer :

Graphe densité de courant de transfert de charge vs. surtension d'électrode.

Expression simple des constantes de vitesse []

http://fr.wikipedia.org/wiki/Vitesse

http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89lectrochimie

http://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9action_d%27oxydo-r%C3%A9duction

http://fr.wikipedia.org/wiki/Diffusion_de_la_mati%C3%A8re

http://fr.wikipedia.org/wiki/Convection

http://fr.wikipedia.org/wiki/Migration_%28mati%C3%A8re%29

http://fr.wikipedia.org/wiki/John_Alfred_Valentine_Butler

http://fr.wikipedia.org/wiki/Max_Volmer

http://fr.wikipedia.org/wiki/Relation_de_Butler-Volmer

http://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:ButlerVolmer1.png

http://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:ButlerVolmer1.png

27

On étudiera les bases de la cinétique électrochimique au travers l'exemple d'une réaction

d'oxydoréduction simple c’est-à-dire dont le mécanisme comporte une seule étape :

R ⇌ O + n e-

R est l'espèce réduite,

O représente l'espèce oxydée.

On notera v la vitesse de cette étape réactionnelle.

v(t) = Ko(t)[R](t) − Kr(t)[O](t)

[R] et [O] représentent respectivement la concentration en forme réduite et en forme oxydée dans

la solution. On notera qu'en cinétique électrochimique, ces concentrations s'expriment

traditionnellement en mol⋅cm-3

et non pas en mol⋅L-1 comme dans le système international

d'unités.

Ko(t ) et Kr(t&htinsp;) sont les constantes de vitesse de l'étape réactionnelle, respectivement dans

le sens de l'oxydation et de la réduction. Comme en cinétique chimique, ces constantes de vitesse

varient en fonction de la température. Cependant, en électrochimie, elles dépendent également de

la tension d'électrode :

Ko(t) = ko exp(+ αo n ƒ E(t ))

Kr(t) = kr exp(- αr n ƒ E(t ))

Avec :

αr + αo = 1 et

où F est la constante de Faraday, Na le nombre d'Avogadro, e la charge de l'électron, kB la

constante de Boltzmann et T la température (en kelvins).

Les coefficients αr et αo sont nommés facteurs de symétrie de transfert électronique,

respectivement dans le sens de la réduction et de l'oxydation. De même, kr et ko sont appelés

paramètres cinétiques de transfert.

Constantes de vitesse et de phases adsorbées []

Les mécanismes réactionnels en électrochimie présentent souvent des étapes faisant intervenir

des espèces adsorbées (adatomes) à la surface de l'électrode. On peut citer par exemple le

mécanisme Volmer-Heyrovsky de réduction du proton H+ :

Etape de Volmer : H+ + s + e

- → H,s

Etape d'Heyrovsky : H+ + H,s + e

- → H2 + s

http://fr.wikipedia.org/wiki/Syst%C3%A8me_international_d%27unit%C3%A9s




http://fr.wikipedia.org/wiki/Cin%C3%A9tique


http://fr.wikipedia.org/wiki/Constante_de_Faraday

http://fr.wikipedia.org/wiki/Nombre_d%27Avogadro

http://fr.wikipedia.org/wiki/Constante_de_Boltzmann

http://fr.wikipedia.org/wiki/Kelvin

http://fr.wikipedia.org/wiki/Adsorption

28

où s représente alors un site libre d'adsorbat à la surface de l'électrode et H,s un atome adsorbé

d'hydrogène.

Dans ce type de configuration, les constantes de vitesse K ne dépendent plus uniquement de la

tension d'électrode E(t ) et de la température. Elles dépendent également d'éventuelles

interactions entre espèces de la phase adsorbée.

Cependant, on se place souvent dans le cadre de l'hypothèse simplificatrice de l'isotherme

d'adsorption de Langmuir : la phase adsorbée est alors considérée comme idéale. L'expression

des constantes de vitesse ne dépend alors que de la tension d'électrode E(t ) et de la température.

Cependant, en ce qui concerne les concentrations des espèces en phase adsorbée, ce ne sont plus

évidemment des concentrations volumiques qui entrent en jeu mais des concentrations

surfaciques exprimées en mol⋅cm-2

.

On exprime une concentration en espèce adsorbée sous la forme d'un produit :

Γ⋅θX

où Γ représente le nombre total de sites surfaciques disponibles pour l'atome X et θ la fraction de

ces sites occupés par l'atome X. θX est appelé taux de recouvrement de l'espèce X. On a alors :

;

.

À l'inverse, si l'on souhaite prendre en compte les interactions en phase adsorbée, l'hypothèse de

l'isotherme d'adsorption de Frumkim introduit alors un paramètre g décrivant ces interactions. Si

g est positif, il y a des interactions répulsives entre espèces adsorbées. Inversement, si g est

négatif, ces interactions sont attractives. L'expression des constantes de vitesse doit être

multipliée par

exp(+ α g θX(t ))

pour une étape de désorption et par

exp(- α g θX(t ))

pour une étape d'adsorption. Le facteur de symétrie de transfert électronique α est pris égale à αo

ou αr suivant si cette étape est respectivement une étape d'oxydation ou de réduction.

Études en régime stationnaire []

http://fr.wikipedia.org/wiki/Adsorption

http://fr.wikipedia.org/wiki/D%C3%A9sorption

29

On se situe en régime stationnaire lorsque la tension, le courant et la concentration des espèces

en solution ne varient pas au cours du temps. Un état stationnaire ne représente pas

nécessairement une situation d'équilibre. Les études de cinétique électrochimique en régime

stationnaire ont souvent lieu sur une électrode à disque tournant ou EDT.

Radioactivité

Pictogramme signalant un risque d'irradiation, ☢.

La radioactivité, phénomène qui fut découvert en 1896 par Henri Becquerel sur l'uranium et très

vite confirmé par Marie Curie pour le thorium, est un phénomène physique naturel au cours

duquel des noyaux atomiques instables, dits radioisotopes, se transforment spontanément

(« désintégration ») en dégageant de l'énergie sous forme de rayonnements divers, pour se

transformer en des noyaux atomiques plus stables ayant perdu une partie de leur masse. Les

rayonnements ainsi émis sont appelés, selon le cas, des rayons α, des rayons β ou des rayons γ.

Les radioisotopes les plus fréquents dans les roches terrestres sont l'isotope 238 de l'uranium

(238

U), l'isotope 232 du thorium (232

Th), et surtout l'isotope 40 du potassium (40

K). Outre ces

isotopes radioactifs naturels encore relativement abondants, il existe dans la nature des isotopes

radioactifs en abondances beaucoup plus faibles. Il s'agit notamment des éléments instables

produits lors de la suite de désintégrations des isotopes mentionnés, par exemple de divers

isotopes du radium et du radon.

Un des radioisotopes naturels les plus utilisés par l'homme est l'isotope 235 de l'uranium (235

U)

qui se trouve dans la nature en faible concentration (<1 %) associé à l'isotope 238

U, mais dont on

modifie la concentration par des techniques d'enrichissement de l'uranium pour qu'il puisse servir

à la production d'énergie nucléaire civile et militaire.

Un autre radioisotope naturel est le radiocarbone, c'est-à-dire l'isotope 14 du carbone (14

C). Ce

dernier est constamment produit dans la haute atmosphère par des rayons cosmiques

interagissant avec l'azote, et se détruit par désintégrations radioactives à peu près au même taux

qu'il est produit, de sorte qu'il se produit un équilibre dynamique qui fait que la concentration du 14

C reste plus ou moins constante au cours du temps dans l'air et dans les organismes vivants qui

l'ingérent (photosynthèse, nutrition...). Une fois un organisme mort, la concentration en 14

C

http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89lectrode_%C3%A0_disque_tournant

http://fr.wikipedia.org/wiki/%E2%98%A2

http://fr.wikipedia.org/wiki/1896

http://fr.wikipedia.org/wiki/Henri_Becquerel

http://fr.wikipedia.org/wiki/Uranium

http://fr.wikipedia.org/wiki/Marie_Curie

http://fr.wikipedia.org/wiki/Thorium

http://fr.wikipedia.org/wiki/Ph%C3%A9nom%C3%A8ne_physique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Noyau_atomique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Radioisotope

http://fr.wikipedia.org/wiki/Cha%C3%AEne_de_d%C3%A9sint%C3%A9gration

http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89nergie

http://fr.wikipedia.org/wiki/Rayonnement

http://fr.wikipedia.org/wiki/Masse

http://fr.wikipedia.org/wiki/Particule_alpha

http://fr.wikipedia.org/wiki/Particule_b%C3%AAta

http://fr.wikipedia.org/wiki/Rayon_gamma

http://fr.wikipedia.org/wiki/Isotope

http://fr.wikipedia.org/wiki/Uranium_238


http://fr.wikipedia.org/wiki/Thorium_232

http://fr.wikipedia.org/wiki/Potassium

http://fr.wikipedia.org/wiki/Potassium_40

http://fr.wikipedia.org/wiki/Radium

http://fr.wikipedia.org/wiki/Radon



http://fr.wikipedia.org/wiki/Enrichissement_de_l%27uranium

http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89nergie_nucl%C3%A9aire

http://fr.wikipedia.org/wiki/Carbone_14




http://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:Radioactive.svg

http://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:Radioactive.svg

30

diminue dans ses tissus, et permet de dater le moment de la mort. Cette datation au radiocarbone

est un outil de recherche très prisé en archéologie et permet de dater avec une bonne précision

des objets organiques dont l'âge ne dépasse pas 50 000 ans.

Les rayonnements α, β et γ produits par la radioactivité sont des rayonnements ionisants qui

interagissent avec la matière en provoquant une ionisation.

L'irradiation d'un organisme entraîne des effets qui peuvent être plus ou moins néfastes pour la

santé, selon les doses de radiation reçues, la durée d'exposition (aiguë ou chronique) et le type de

rayonnement concerné. Elle peut être associée à une contamination radioactive surfacique (fixée

ou non fixée), ou volumique (appelée aussi atmosphérique).

Historique []

« Poudre Tho-Radia, à base de radium et thorium, selon la formule du Dr Alfred Curie... ».

La radioactivité fut découverte en 1896 par Henri Becquerel (1852-1908), lors de ses travaux sur

la phosphorescence : les matières phosphorescentes émettent de la lumière dans le noir après

expositions à la lumière, et Becquerel supposait que la lueur qui se produit dans les tubes

cathodiques exposés aux rayons X pouvait être liée au phénomène de phosphorescence. Son

expérience consistait à sceller une plaque photographique dans du papier noir et mettre ce paquet

en contact avec différents matériaux phosphorescents. Tous ses résultats d'expérience furent

négatifs, à l'exception de ceux faisant intervenir des sels d'uranium, lesquels impressionnaient la

plaque photographique à travers la couche de papier. Cependant, il apparut bientôt que

l'impression de l'émulsion photographique n'avait rien à voir avec le phénomène de

phosphorescence, car l'impression se faisait même lorsque l'uranium n'avait pas été exposé à la

lumière au préalable. Par ailleurs, tous les composés d'uranium impressionnaient la plaque, y

compris les sels d'uranium non phosphorescents et l'uranium métallique. À première vue, ce

nouveau rayonnement était semblable au rayonnement X, découvert l'année précédente (en 1895)

par le physicien allemand Wilhelm Röntgen (1845-1923). Des études ultérieures menées par

Becquerel lui-même, ainsi que par Marie Curie (1867-1934) et Pierre Curie (1859-1906), ou

encore par Ernest Rutherford (1871-1937), montrèrent que la radioactivité est nettement plus

complexe que le rayonnement X. En particulier, ils trouvèrent qu'un champ électrique ou

http://fr.wikipedia.org/wiki/Datation_au_radiocarbone

http://fr.wikipedia.org/wiki/Arch%C3%A9ologie

http://fr.wikipedia.org/wiki/Rayonnements_ionisants

http://fr.wikipedia.org/wiki/Ionisation

http://fr.wikipedia.org/wiki/Irradiation

http://fr.wikipedia.org/wiki/Rayonnement

http://fr.wikipedia.org/wiki/Contamination_radioactive


http://fr.wikipedia.org/wiki/Henri_Becquerel



http://fr.wikipedia.org/wiki/Phosphorescence

http://fr.wikipedia.org/wiki/Tube_cathodique


http://fr.wikipedia.org/wiki/Rayon_X


http://fr.wikipedia.org/wiki/Wilhelm_R%C3%B6ntgen



http://fr.wikipedia.org/wiki/Marie_Curie



http://fr.wikipedia.org/wiki/Pierre_Curie



http://fr.wikipedia.org/wiki/Ernest_Rutherford



http://fr.wikipedia.org/wiki/Champ_%C3%A9lectrique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:Tho-Radia-IMG_1228.JPG

http://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:Tho-Radia-IMG_1228.JPG

31

magnétique sépare les rayonnements « uraniques » en trois faisceaux distincts, qu'ils baptisaient

α, β et γ. La direction de la déviation des faisceaux montrait que les particules α étaient chargées

positivement, les β négativement, et que les rayonnements γ étaient neutres. En outre, la

magnitude de la déflection indiquait nettement que les particules α étaient bien plus massives que

les β.

En faisant passer les rayons α dans un tube à décharge et en étudiant les raies spectrales ainsi

produites, on pouvait conclure que le rayonnement α est constitué d'hélions, autrement dit de

noyaux d'hélium (4He). D'autres expériences permettaient d'établir que les rayons β sont

composés d'électrons comme les particules dans un tube cathodique, et que les rayons γ sont, tout

comme les rayons X, des photons très énergétiques. Par la suite, on découvrit que de nombreux

autres éléments chimiques ont des isotopes radioactifs. Ainsi, en traitant des tonnes de

pechblende, une roche uranifère, Marie Curie réussit à isoler quelques milligrammes de radium

dont les propriétés chimiques sont tout à fait similaires à celles du baryum (ces deux éléments

chimiques sont des métaux alcalino-terreux), mais qu'on arrive à distinguer à cause de la

radioactivité du radium.

Les dangers de la radioactivité pour la santé ne furent pas immédiatement reconnus. Ainsi,

Nikola Tesla (1856-1943), en soumettant volontairement en 1896 ses propres doigts à une

irradiation par des rayons X, constata que les effets aigus de cette irradiation étaient des brûlures

qu'il attribua, dans une publication, à la présence d'ozone. D'autre part, les effets mutagènes des

radiations, en particulier les risques de cancer, ne furent découverts qu'en 1927 par Hermann

Joseph Muller (1890-1967). Avant que les effets biologiques des radiations ne soient connus, des

médecins et des sociétés attribuaient aux matières radioactives des propriétés thérapeutiques : le

radium, en particulier, était populaire comme tonifiant, et fut prescrit sous forme d'amulettes ou

de pastilles. Marie Curie s'est élevée contre cette mode, arguant que les effets des radiations sur

le corps n'étaient pas encore bien compris. Durant les années 1930, les nombreuses morts qui ont

semblé pouvoir être reliées à l'utilisation de produits contenant du radium ont fait passer cette

mode.

Les transformations nucléaires []

La « désintégration » (en physique, elle correspond à la transformation de la matière en énergie)

d'un noyau radioactif peut entraîner l'émission de rayonnement α, β- ou β

+. Ces désintégrations

sont souvent accompagnées de l'émission de photons de haute énergie ou rayons gamma, dont

les longueurs d'onde sont généralement encore plus courtes que celles des rayons X, étant de

l'ordre de 10-9

m ou inférieures. Cette émission gamma (γ) résulte de l'émission de photons lors

de transitions nucléaires : du réarrangement des charges internes du noyau nouvellement formé,

ou bien de la couche profonde du cortège électronique perturbé, à partir de niveaux d'énergie

excités avec des énergies mises en jeu de l'ordre du MeV.

Les transformations isobariques []

Une transformation isobarique correspond à la transmutation d'un noyau avec la conservation du

nombre de masse A.

http://fr.wikipedia.org/wiki/Champ_magn%C3%A9tique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Lampe_%C3%A0_d%C3%A9charge

http://fr.wikipedia.org/wiki/Raie_spectrale

http://fr.wikipedia.org/wiki/H%C3%A9lium


http://fr.wikipedia.org/wiki/Pechblende

http://fr.wikipedia.org/wiki/Baryum

http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89l%C3%A9ment_chimique

http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89l%C3%A9ment_chimique

http://fr.wikipedia.org/wiki/M%C3%A9tal_alcalino-terreux

http://fr.wikipedia.org/wiki/Nikola_Tesla




http://fr.wikipedia.org/wiki/Ozone

http://fr.wikipedia.org/wiki/Cancer


http://fr.wikipedia.org/wiki/Hermann_Joseph_Muller

http://fr.wikipedia.org/wiki/Hermann_Joseph_Muller



http://fr.wikipedia.org/wiki/Radium

http://fr.wikipedia.org/wiki/Ann%C3%A9es_1930

http://fr.wikipedia.org/wiki/Noyau_atomique#Stabilit.C3.A9


http://fr.wikipedia.org/wiki/Longueur_d%27onde


http://fr.wikipedia.org/wiki/MeV

http://fr.wikipedia.org/wiki/Nombre_de_masse

32

Les émissions bêta []

Article détaillé : Radioactivité β.

L'émission bêta moins []

Émission d'une particule β- (électron), fortement ionisante.

La radioactivité bêta moins (β-) affecte les nucléides X présentant un excès de neutrons. Elle se

manifeste lors de réactions isobariques par la transformation dans le noyau d'un neutron en

proton, le phénomène s'accompagnant de l'émission d'un électron (ou particule bêta moins) et

d'un antineutrino électronique νe :

.

L'émission bêta plus []

La radioactivité bêta plus (β+) ne concerne que les nucléides présentant un excès de protons. Elle

se manifeste par la transformation dans le noyau d'un proton en neutron, le phénomène

s'accompagnant de l'émission d'un positron (ou positon, encore appelé particule bêta plus =

antiélectron) et d'un neutrino électronique νe :

.

L'émission d'un rayonnement β+ par un noyau n'est possible que si l'énergie disponible est

supérieure à 1,022 MeV (soit la masse de deux électrons). Car le bilan énergétique, qui est la

différence entre l'énergie initiale et l'énergie finale donne : Q = (m(X) − m(Y) − me − mν)C2, où

mνC2 est négligeable, puisque de l'ordre de quelques eV.

Q = μ(X)C2 − ZmeC

2 − μ(Y)C

2 + (Z − 1)meC

2 − meC

2, avec μ(X)C

2 et μ(Y)C

2 les énergies des

atomes X et Y.

Q = (μ(X) − μ(Y) − 2me)C2=Qβ

+.

La réaction n'est donc possible que si Q > 0 c'est-à-dire que si (μ(X) − μ(Y))C2 > 2meC

2 = 1,022

Mev.

La capture électronique []

Article détaillé : Capture électronique.

http://fr.wikipedia.org/wiki/Radioactivit%C3%A9_%CE%B2

http://fr.wikipedia.org/wiki/Neutron


http://fr.wikipedia.org/wiki/Proton


http://fr.wikipedia.org/wiki/Antineutrino

http://fr.wikipedia.org/wiki/Positron

http://fr.wikipedia.org/wiki/Neutrino

http://fr.wikipedia.org/wiki/Capture_%C3%A9lectronique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:Beta-minus_Decay.svg

http://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:Beta-minus_Decay.svg

33

La capture électronique (ε) ne concerne que des nucléides qui présentent un excès de protons et

dont l'énergie disponible (dans la réaction potentielle) n'est pas nulle.

L'émission alpha []

Émission d'une particule alpha (noyau d'hélium), très fortement ionisante.

Article détaillé : Radioactivité α.

On parle[1]

de radioactivité alpha (α) pour désigner l'émission d'un noyau d'hélium ou hélion :

.

Ces hélions, encore appelés particules alpha, ont une charge 2e, et une masse de 4,001 505 8

unités de masse atomique.

Loi de désintégration radioactive []

Article détaillé : Décroissance radioactive.

Un radioisotope quelconque a autant de chances de se désintégrer à un moment donné qu'un

autre radioisotope de la même espèce, et la désintégration ne dépend pas des conditions physico-

chimiques dans lesquelles le nucléide se trouve. En d'autres termes, la loi de désintégration

radioactive est une loi statistique.

Soit N(t) le nombre de radionucléides d'une espèce donnée présents dans un échantillon à un

instant t quelconque. Comme la probabilité de désintégration d'un quelconque de ces

radionucléides ne dépend pas de la présence des autres radionucléides ni du milieu environnant,

le nombre total de désintégrations dN pendant un intervalle de temps dt à l'instant t est

proportionnel au nombre de radionucléides de même espèce N présents et à la durée dt de cet

intervalle : c'est une loi de décroissance exponentielle. On a en effet :

dN = − λNdt.

http://fr.wikipedia.org/wiki/Radioactivit%C3%A9_%CE%B1

http://fr.wikipedia.org/wiki/Radioactivit%C3%A9#cite_note-0



http://fr.wikipedia.org/wiki/Masse_atomique

http://fr.wikipedia.org/wiki/D%C3%A9croissance_radioactive

http://fr.wikipedia.org/wiki/Radionucl%C3%A9ide

http://fr.wikipedia.org/wiki/D%C3%A9croissance_exponentielle

http://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:Alpha_Decay.svg

http://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:Alpha_Decay.svg

34

Le signe moins (–) vient de ce que N diminue au cours du temps, de sorte que la constante λ est

positive.

En intégrant l'équation différentielle précédente, on trouve le nombre N(t) de radionucléides

présents dans le corps à un instant t quelconque, sachant qu'à un instant donné t = 0 il y en avait

N0 :

N(t) = N0e − λt

.

Interaction entre les rayonnements et la matière []

Pouvoir de pénétration (exposition externe).

Les particules α sont arrêtées par une feuille de papier.

Les particules β sont arrêtées par une feuille d'aluminium.

Le rayonnement γ est atténué (mais jamais arrêté) par de grandes épaisseurs de matériaux denses

(écrans en plomb très utilisés).

Article détaillé : Rayonnements ionisants.

Les rayonnements ionisants provoquent tous au sein de la matière des ionisations et des

excitations. La façon dont se produisent ces ionisations dépend du type de rayonnement

considéré :

rayonnement α : un noyau atomique instable émet une particule lourde chargée positivement constituée de deux protons et de deux neutrons (noyau d'hélium-4). En traversant la matière, cette particule interagit principalement avec le cortège électronique des atomes du matériau traversé, ce qui les excite ou les ionise. Ce mécanisme se produit sur une très courte distance car la section efficace d'interaction est élevée: le pouvoir de pénétration des rayonnements alpha est faible (une simple feuille de papier ou 4 à 5 cm d'air les arrêtent totalement) et par conséquent le dépôt d'énergie par unité de longueur traversée sera élevé. Cette énergie

http://fr.wikipedia.org/wiki/Rayonnement_%CE%B1




http://fr.wikipedia.org/wiki/Plomb


http://fr.wikipedia.org/wiki/Excitation_%28physique%29


http://fr.wikipedia.org/wiki/Proton


http://fr.wikipedia.org/wiki/H%C3%A9lium

http://fr.wikipedia.org/wiki/Section_efficace

http://fr.wikipedia.org/wiki/Papier

http://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:Alfa_beta_gamma_radiation.svg

http://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:Alfa_beta_gamma_radiation.svg

35

dissipée dans la matière traversée se traduira par des excitations et des ionisations et donne lieu à des rayonnements secondaires.

rayonnement β- : un noyau atomique instable émet une particule légère et chargée négativement (un électron) qu'une feuille d'aluminium peut arrêter. Cependant ce rayonnement interagit avec la matière en provoquant des excitations et des ionisations par diffusion. Le parcours des électrons dans la matière est plus important que celui des particules alpha (de l'ordre de quelques mètres maximum dans l'air). La perte d'énergie du rayonnement bêta par unité de longueur traversée sera, toute autre chose étant égale, moindre que celle du rayonnement alpha. Il en sera donc de même du nombre d'excitation et d'ionisation produite par unité de longueur. Dans certains cas (électron de forte énergie et matériau traversé de masse atomique élevée) l'émission d'un rayonnement de freinage électromagnétique est possible.

rayonnement β+ : un noyau atomique instable émet une particule légère et chargée positivement (un positron) qui interagit immédiatement avec un électron du milieu provoquant son annihilation et la production de deux rayons gamma de 511 keV chacun.

rayonnement γ : un noyau atomique qui ne souffre pas d'un déséquilibre baryonique, mais qui se trouve dans un état d'énergie instable, émet un photon très énergétique, donc très pénétrant, pour atteindre un état d'énergie stable ; il faut plusieurs centimètres de plomb pour l'atténuer. Il n'y a guère de différence entre les rayons X durs et le rayonnement γ — seul leur origine les différencie. En général, l'émission de rayons γ suit une désintégration α ou β, car elle correspond à un réarrangement des nucléons, et notamment à une réorganisation de la charge électrique à l'intérieur du nouveau noyau. On rencontre donc fréquemment un noyau radioactif émettant simultanément plusieurs types de rayonnements : par exemple, l'isotope 239 du plutonium (239Pu) est un émetteur α–γ, l'isotope 59 du fer (59Fe) est un émetteur β–γ. Le rayonnement gamma est un faisceau de photons sans charge électrique ni masse. En traversant la matière, il provoque trois types d'interactions :

o l'effet photo-électrique ; o la création de paires ; o l'effet Compton.

Ces mécanismes produiront, in fine, des excitations et ionisations dans le matériau traversé. Le

rayonnement gamma et les neutrons ont un fort pouvoir de pénétration dans la matière

[plusieurs décimètres de béton pour le rayonnement γ ; un écran en plomb d'une épaisseur de

50 mm arrête 90 % du rayonnement γ (« écran dixième »)].

Rayonnement neutronique : la fission nucléaire et la fusion nucléaire produisent des neutrons en quantités importantes. Ces neutrons se diffusent dans l'environnement du réacteur. Ils nécessitent des protections neutroniques et des compteurs dosimétriques spécialisés.

La nature des lois physiques permettant de calculer les parcours ou l'atténuation des

rayonnements dans la matière est différente selon les rayonnements considérés :

les rayonnements gamma et les flux neutroniques ne sont jamais complètement arrêtés par la matière. C'est pourquoi le flux de photons émergeant d'un écran sera faible, voire quasi-indétectable, mais jamais nul. Voir Couche de demi-atténuation ;

les lois physiques qui traduisent le parcours des rayonnements alpha et bêta montrent qu'au-delà d'une certaine distance, il est impossible que des particules puissent être retrouvées : le





http://fr.wikipedia.org/wiki/Ionisation

http://fr.wikipedia.org/wiki/Diffusion_des_ondes

http://fr.wikipedia.org/wiki/Parcours

http://fr.wikipedia.org/wiki/Rayonnement_continu_de_freinage


http://fr.wikipedia.org/wiki/Positron

http://fr.wikipedia.org/wiki/Annihilation_%C3%A9lectrons-positrons


http://fr.wikipedia.org/wiki/Baryon

http://fr.wikipedia.org/wiki/Photon

http://fr.wikipedia.org/wiki/Plomb

http://fr.wikipedia.org/wiki/Nucl%C3%A9on

http://fr.wikipedia.org/wiki/Plutonium

http://fr.wikipedia.org/wiki/Fer

http://fr.wikipedia.org/wiki/Photon



http://fr.wikipedia.org/wiki/Effet_photo-%C3%A9lectrique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Cr%C3%A9ation_de_paires

http://fr.wikipedia.org/wiki/Effet_Compton

http://fr.wikipedia.org/wiki/B%C3%A9ton

http://fr.wikipedia.org/wiki/Rayonnement_neutronique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Fission_nucl%C3%A9aire

http://fr.wikipedia.org/wiki/Fusion_nucl%C3%A9aire

http://fr.wikipedia.org/wiki/Parcours

http://fr.wikipedia.org/wiki/Couche_de_demi-att%C3%A9nuation

36

rayonnement incident peut donc être complètement bloqué par un matériau qui joue le rôle d'écran. Voir Parcours d'une particule.

Mesure de radioactivité []

Grandeurs objectives []

Ces grandeurs objectives sont mesurables à l'aide d'appareils de physique (compteurs,

calorimètres, horloges).

L'activité d'une source radioactive se mesure en becquerels (Bq), unité correspondant au nombre de désintégrations par seconde, en hommage à Henri Becquerel. On utilise quelquefois (en biologie par exemple) le nombre de désintégrations par minute.

L'activité massique ou volumique est plus souvent utilisée. Elle correspond à l'activité rapportée à la masse (Bq/kg) ou au volume de l'échantillon mesuré (Bq/L ou Bq/m³).

Le curie (Ci) était autrefois utilisé : il se définit comme l'activité d'un gramme de radium, soit 37×109 désintégrations par seconde, soit 37 Bq = 1 nCi.

Le coulomb par kilogramme (C/kg) peut également être utilisé : il mesure l'exposition aux rayonnements X et gamma (la charge d'ions libérée dans la masse d'air). L'ancienne unité équivalente était le Roentgen qui correspond au nombre d'ionisations par kilogramme d'air.

Pour le radon, l'énergie alpha potentielle volumique (EAPV) peut être mesurée en joules par mètre cube (J/m³). Cela correspond à l'énergie des particules alpha émises dans un certain volume par les descendants du radon.

Conversion des différentes unités objectives :

1 Ci = 3,7×1010 Bq

1 Bq = 0,027 nCi

Grandeurs subjectives []

Ce sont des grandeurs non mesurables directement. Elles sont estimées à partir de mesures et de

coefficients de pondération définis par la CIPR.

La dose absorbée par la cible est définie comme l'énergie reçue par unité de masse de la cible, en joule par kilogramme, c'est-à-dire en gray (Gy) dans le système SI. L'ancienne unité était le rad. 1 Gy = 100 rad. On définit également un débit de dose, c'est-à-dire l'énergie absorbée par kilogramme et par unité de temps, c'est-à-dire en gray par seconde (Gy/s).

La dose équivalente, H, pour laquelle chaque rayonnement doit être pondéré pour tenir compte de leur nocivité respective. L'unité du Système International SI) est le sievert (Sv). Lorsque le rad

http://fr.wikipedia.org/wiki/Parcours_d%27une_particule

http://fr.wikipedia.org/wiki/Compteur_Geiger

http://fr.wikipedia.org/wiki/Calorim%C3%A8tre

http://fr.wikipedia.org/wiki/Activit%C3%A9

http://fr.wikipedia.org/wiki/Becquerel

http://fr.wikipedia.org/wiki/Activit%C3%A9_massique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Curie_%28unit%C3%A9%29

http://fr.wikipedia.org/wiki/Nano

http://fr.wikipedia.org/wiki/Coulomb

http://fr.wikipedia.org/wiki/Rayonnement_X


http://fr.wikipedia.org/wiki/Ion

http://fr.wikipedia.org/wiki/Roentgen


http://fr.wikipedia.org/wiki/Joule_%28unit%C3%A9%29

http://fr.wikipedia.org/wiki/CIPR

http://fr.wikipedia.org/wiki/Dose_radioactive

http://fr.wikipedia.org/wiki/Joule

http://fr.wikipedia.org/wiki/Gray_%28unit%C3%A9%29

http://fr.wikipedia.org/wiki/Rad_%28ancienne_unit%C3%A9%29

http://fr.wikipedia.org/wiki/Dose_%C3%A9quivalente


http://fr.wikipedia.org/wiki/Sievert

37

était utilisé comme unité de dose absorbée, l'unité de dose équivalente était le rem, acronyme de « rad equivalent man ».

La dose efficace, E, est la somme pondérée des doses équivalentes HT aux organes et tissus T irradiés. Elle rend compte du risque d'apparition de cancer. L'unité utilisée est également le sievert.

Chiffres à considérer avec précaution (non sourcés) :

Le facteur de risque d'induction de cancer est estimé à 4 % par Sv pour une population de

travailleurs et à 5 % par Sv pour la population en général. À titre d'exemple, les personnes vivant

en Europe occidentale reçoivent une dose annuelle naturelle de 3 mSv dont la moitié est due au

radon.

L'équivalent de dose ambiant, H*(10), est une grandeur opérationnelle exprimée en mSv. C'est une mesure approchante de la dose efficace externe, utilisée pour les mesures de l'environnement.

L'équivalent de dose individuel, Hp(10), est une grandeur opérationnelle exprimée en mSv. C'est une mesure approchante de la dose efficace externe, utilisée pour les mesures de l'exposition des personnes aux radiations ionisantes dans le cadre de leur profession.

Conversion des différentes unités subjectives :

1 rad = 0,01 Gy

1 Gy = 100 rad

1 rem = 0,01 Sv = 10 mSv

1 Sv = 100 rem

Les réseaux de mesures []

Des réseaux de mesures (plus ou moins organisés, complets et accessibles au public, selon les

pays) couvrent la planète pour mesurer les variations de radioactivité dans l'eau, l'air, la flore, la

faune, les aliments, etc.

En France, depuis février 2010, l'ASN a réuni l'essentiel de ces réseaux (l'équivalent d'environ

15 000 mesures mensuelles depuis début 2009) en un seul portail, le Réseau national de mesures

de la radioactivité de l'environnement[2]

, « ...de manière à faciliter l'accès(...) aux résultats des

mesures tout en renforçant l’harmonisation et la qualité des mesures effectuées par les

laboratoires ».

Origines de la radioactivité []

http://fr.wikipedia.org/wiki/Rem

http://fr.wikipedia.org/wiki/Dose_efficace

http://fr.wikipedia.org/wiki/MSv



http://fr.wikipedia.org/wiki/Autorit%C3%A9_de_s%C3%BBret%C3%A9_nucl%C3%A9aire


38

La radioactivité a principalement pour origine les radioisotopes existants dans la nature et

produits lors des explosions des supernovas. On trouve des traces de ces éléments radioactifs et

de leurs descendants dans notre environnement : un roc de granite contient des traces d'uranium

qui, en se désintégrant, émettent du radon.

On parle de « radioactivité naturelle » pour désigner la radioactivité due à des sources non

produites par les activités humaines, comme celle issue du radon, de la terre, ou du rayonnement

cosmique. A contrario, on parle de « radioactivité artificielle » pour désigner la radioactivité due

à des sources produites par les activités humaines : réalisation d'examens médicaux (tels les

radiographies, tomodensitométries, scintigraphies, radiothérapies), éléments transuraniens

synthétiques, concentrations artificiellement élevées de matières radioactives ou production

artificielle de rayons gamma (dans un accélérateur de particules, par exemple). Physiquement, il

s'agit exactement du même phénomène.

Nature de la source

Exposition humaine

à la radioactivité

selon l'OMS[3] : mSv

par personne et par

an

Radioactivité

naturelle en %

Radioactivité

artificielle

en %

Radon (gaz radioactif naturel dense souvent

présent dans les rez-de-chaussée) 1,3 42 %

Irradiation d'origine médicale (radiographies,

scanners, radiothérapies, etc.) 0,6

20 %

Éléments absorbés par alimentation

(essentiellement du potassium 40 contenu

naturellement dans les aliments)

0,5 16 %

Rayonnement cosmique 0,4 13 %

Rayonnement interne 0,2 6 %

Autres origines artificielles sauf énergie

nucléaire civile (industries minières diverses,

retombées atmosphériques des essais

nucléaires militaires, instruments de mesure,

certaines méthodes de mesure industrielles

(telles le contrôle de soudures par

gammagraphie), etc.)

0,1

3 %

http://fr.wikipedia.org/wiki/Radioisotope

http://fr.wikipedia.org/wiki/Supernova

http://fr.wikipedia.org/wiki/Environnement

http://fr.wikipedia.org/wiki/Granite




http://fr.wikipedia.org/wiki/Rayon_cosmique


http://fr.wikipedia.org/wiki/Radiographie

http://fr.wikipedia.org/wiki/Tomodensitom%C3%A9trie

http://fr.wikipedia.org/wiki/Scintigraphie

http://fr.wikipedia.org/wiki/Radioth%C3%A9rapie

http://fr.wikipedia.org/wiki/Acc%C3%A9l%C3%A9rateur_de_particules

http://fr.wikipedia.org/wiki/OMS

http://fr.wikipedia.org/wiki/OMS



http://fr.wikipedia.org/wiki/Scanner

http://fr.wikipedia.org/wiki/Radioth%C3%A9rapie

http://fr.wikipedia.org/wiki/Alimentation





http://fr.wikipedia.org/wiki/Industrie_mini%C3%A8re

http://fr.wikipedia.org/wiki/Essai_nucl%C3%A9aire


http://fr.wikipedia.org/wiki/Rayonnement_ionisant#L.27exposition_de_l.27Homme_aux_rayonnements

39

Énergie nucléaire civile 0,01

0,3 %

Total 3,1 77 % 23 %

Selon une étude de Billon S. et Al[4]

, l'exposition naturelle à la radioactivité représenterait

environ 2,5 mSv sur un total de 3,5. Cette dose peut varier de 1 à 40 mSv, selon l'environnement

géologique et les matériaux d'habitation. Il existe aussi le rayonnement interne du corps : la

radioactivité naturelle des atomes du corps humain se traduit par environ 8 000 désintégrations

par seconde (8 000 Bq). Ce taux est principalement dû à la présence de carbone 14 et de

potassium 40 dans notre organisme.

Radioactivité naturelle []

Radioactivité tellurique []

Le rayonnement tellurique dû aux radionucléides présents dans les roches (uranium, thorium et

descendants) est d'environ 0,50 mSv par an en France[4]

. Il peut cependant être bien plus

important dans certaines régions où la roche est très concentrée en uranium (régions granitiques

telles la Forêt-Noire en Allemagne, la Bretagne et le Massif central en France) ou en thorium

(région du Kérala en Inde).

Radon []

À ce rayonnement s'ajoute la présence d'un gaz radioactif dense : le radon. Il est responsable à lui

seul de la plus grande part de l'exposition humaine moyenne à la radioactivité : 42 % du total. Il

est issu de la décomposition de l'uranium naturellement contenu dans les sols. Dans les régions

où la concentration en uranium dans la roche est élevée, il est souvent présent dans les

habitations peu ventilées, ou construites sur des sols à fort dégagement de radon (rez-de-

chaussée, maisons, caves). Il entraîne alors une exposition interne conséquente à cause de ces

descendants à période radioactive courte (dont fait notamment partie le polonium).

La radioactivité du radon est la deuxième source de décès par cancer du poumon en France juste

derrière le tabac[5]

.

Rayons cosmiques []

La Terre est en permanence soumise à un flux de particules primaires de haute énergie en provenance essentiellement de l'espace et (en bien moindre mesure) du Soleil : les rayons cosmiques.

Le vent solaire, et le champ magnétique qu'il entraîne, dévient une partie des rayons cosmiques

« interstellaires » ; le champ magnétique terrestre (la ceinture de Van Allen) dévie la majeure

partie de ceux approchant la Terre. L’atmosphère n'absorbant qu’une partie de ces particules de


http://fr.wikipedia.org/wiki/Radioactivit%C3%A9#cite_note-not-3

http://fr.wikipedia.org/wiki/G%C3%A9ologie

http://fr.wikipedia.org/wiki/Corps_humain





http://fr.wikipedia.org/wiki/Radioactivit%C3%A9#cite_note-not-3

http://fr.wikipedia.org/wiki/For%C3%AAt-Noire

http://fr.wikipedia.org/wiki/Allemagne

http://fr.wikipedia.org/wiki/Bretagne

http://fr.wikipedia.org/wiki/Massif_central

http://fr.wikipedia.org/wiki/France

http://fr.wikipedia.org/wiki/Inde

http://fr.wikipedia.org/wiki/Densit%C3%A9


http://fr.wikipedia.org/wiki/Polonium

http://fr.wikipedia.org/wiki/Cancer_du_poumon

http://fr.wikipedia.org/wiki/Tabac

http://fr.wikipedia.org/wiki/Tabac

http://fr.wikipedia.org/wiki/Terre

http://fr.wikipedia.org/wiki/Espace_%28cosmologie%29

http://fr.wikipedia.org/wiki/Soleil



http://fr.wikipedia.org/wiki/Vent_solaire

http://fr.wikipedia.org/wiki/Ceinture_de_Van_Allen

http://fr.wikipedia.org/wiki/Atmosph%C3%A8re_terrestre

40

haute énergie, une fraction de celle-ci atteint le sol, voire pour les plus énergétiques, traverse les

premières couches rocheuses.

Ce rayonnement extraterrestre, par un phénomène de spallation à partir des noyaux plus lourds présents dans la haute atmosphère, entraîne la production de rayonnements et de particules ionisantes secondaires ou tertiaires (neutrons, électrons, alpha, ions, etc.). Ce phénomène est à l'origine, entre autres, de la production de radionucléides cosmiques sur notre planète tels le carbone 14 et le tritium.

La part due au rayonnement cosmique représente environ 0,32 nGy/h[6]

au niveau de la mer.

Cette valeur varie en fonction de la latitude et de l'altitude, elle double à 1 500 m d'altitude.

Radioactivité artificielle []

L'activité humaine est une autre source majeure de rayonnements ionisants. Principalement, pour

20 % du total des expositions humaines à la radioactivité, par les activités médicales : production

de radionucléides par cyclotron (pour les scintigraphies et TEP par exemple). Le reste,

représentant 3 % du total des expositions humaines, est produit, par ordre d'importance, par :

diverses industries minières, centrales au charbon ; l'armée : retombées d'essais nucléaires, bombes nucléaires ; l'énergie nucléaire civile (0,3 % du total des expositions) : émissions, fuites et production de

déchets radioactifs ; accidents : catastrophe de Tchernobyl ; la recherche : recherche en physique des particules (CERN Suisse, GANIL France).

Note : L'imagerie médicale au moyen de rayons X produit la plus forte dose d'exposition

humaine aux rayonnements ionisants.

On ne parle cependant pas de radioactivité car les rayons X ne sont pas issus de réactions

nucléaires mais d'excitation électronique de l'atome.

Radioprotection []

Risque sanitaire []

http://fr.wikipedia.org/wiki/Spallation


http://fr.wikipedia.org/wiki/Tritium


http://fr.wikipedia.org/wiki/Niveau_de_la_mer

http://fr.wikipedia.org/wiki/Rayonnement_ionisant

http://fr.wikipedia.org/wiki/Cyclotron

http://fr.wikipedia.org/wiki/Scintigraphie

http://fr.wikipedia.org/wiki/Tomographie_%C3%A0_%C3%A9mission_de_positon

http://fr.wikipedia.org/wiki/Industrie_mini%C3%A8re

http://fr.wikipedia.org/wiki/Centrale_thermique


http://fr.wikipedia.org/wiki/Bombe_nucl%C3%A9aire


http://fr.wikipedia.org/wiki/D%C3%A9chet_radioactif

http://fr.wikipedia.org/wiki/Catastrophe_de_Tchernobyl

http://fr.wikipedia.org/wiki/CERN

http://fr.wikipedia.org/wiki/GANIL

http://fr.wikipedia.org/wiki/Imagerie_m%C3%A9dicale


http://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9action_nucl%C3%A9aire

http://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9action_nucl%C3%A9aire


http://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:Logo_iso_radiation.svg

http://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:Logo_iso_radiation.svg

41

Nouveau pictogramme lancé par l'AIEA, représentant un risque de danger de mort ou de dommages

sérieux.

Articles détaillés : Syndrome d'irradiation aiguë et Faibles doses d'irradiation.

Une substance radioactive doit être repérée par le symbole ☢ (Unicode 2622, UTF-8 E2 98 A2).

Les conséquences de la radioactivité sur la santé sont complexes. Le risque pour la santé dépend

non seulement de l'intensité du rayonnement et la durée d'exposition, mais également du type de

tissu concerné — les organes reproducteurs sont 20 fois plus sensibles que la peau. Les effets

sont différents selon le vecteur de la radioactivité :

exposition à des rayonnements ionisants par une source radioactive à distance ; contamination radioactive si par exemple l'on ingère ou inhale un produit radioactif.

Les normes internationales, basées sur les conséquences épidémiologiques de l'explosion des

bombes d'Hiroshima et Nagasaki, partent du principe que le risque pour la santé est

proportionnel à la dose reçue et que toute dose de rayonnement comporte un risque cancérigène

et génétique (CIPR 1990).

La réglementation pour la protection contre les radiations ionisantes est basée sur trois

recommandations fondamentales :

1. justification : on ne doit adopter aucune pratique conduisant à une irradiation, à moins qu'elle ne produise un bénéfice suffisant pour les individus exposés ou pour la société, compensant le préjudice lié à cette irradiation ;

2. optimisation : l'irradiation doit être au niveau le plus bas que l'on peut raisonnablement atteindre ;

3. limitation de la dose et du risque individuels : aucun individu ne doit recevoir des doses d'irradiation supérieures aux limites maximum autorisées.

De récentes études de l'IRSN s'intéressent aux effets de la contamination radioactive chronique,

qui même à des faibles doses, pourraient ne pas être négligeables, et pourraient provoquer

différentes pathologies atteignant certaines fonctions physiologiques (système nerveux central,

respiration, digestion, reproduction)[7]

. Mais cette vision est contestée, et d'autres acteurs, dont

notamment l'Académie de médecine, estiment au contraire que ces craintes sont inutiles[8]

.

Dose radiative []

Le principe retenu en radioprotection est de maintenir l'exposition au niveau le plus bas qu'il est

raisonnablement possible d'atteindre (principe ALARA). Pour faciliter cette optimisation, les

sites nucléaires français sont organisés en zones dont l'accès est plus ou moins restreint, et qui

correspondent aux débits de doses suivants :

zone bleue : de 2,5 à 7,5 µSv⋅h-1 ; zone verte : de 7,5 à 25 µSv⋅h-1 ;

http://fr.wikipedia.org/wiki/Syndrome_d%27irradiation_aigu%C3%AB

http://fr.wikipedia.org/wiki/Faibles_doses_d%27irradiation

http://fr.wikipedia.org/wiki/Unicode

http://fr.wikipedia.org/wiki/UTF-8



http://fr.wikipedia.org/wiki/CIPR

http://fr.wikipedia.org/wiki/IRSN



http://fr.wikipedia.org/wiki/ALARA

42

zone jaune : de 25 µSv⋅h-1 à 2 mSv⋅h-1 ; zone orange : de 2 à 100 mSv⋅h-1 ; zone rouge : > 100 mSv⋅h-1.

L'environnement naturel émet un rayonnement variant de 0,2 µSv⋅h-1 à 1 µSv⋅h-1

, avec une

moyenne de 0,27 µSv⋅h-1 (soit 2,4 mSv⋅an

-1⋅habitant-1

). Le débit de dose dont on est certain qu'il

produit des effets biologiques dangereux se situe à partir de 1 mSv⋅h-1, c'est-à-dire en « zone

jaune ». Les effets varient selon le temps auquel on y est soumis. Les effets statistiquement

observables apparaissent pour des doses cumulées supérieures à 100 mSv, soit un stationnement

de plus de 50 h (une semaine à plein temps) en zone jaune. Cette exposition peut être atteinte en

1 h en « zone orange ».

Articles détaillés : Débit de dose radioactive et Faibles doses d'irradiation.

Dose équivalente []

Articles détaillés : Équivalent de dose et Équivalent de dose efficace.

La dose équivalente est la mesure de dose cumulée d'exposition continue aux radiations

ionisantes durant une année, avec des facteurs de pondération. Jusqu'en 1992, les doses

équivalentes n'étaient pas mesurées de la même façon en Europe et aux États-Unis ; aujourd'hui

ces doses sont standardisées.

La dose cumulée d'une source radioactive artificielle devient dangereuse à partir de 500 mSv (ou

50 rem), dose à laquelle on constate les premiers symptômes d'altération sanguine. En 1992, la

dose efficace (E) maximale pour une personne travaillant sous rayonnements ionisants était fixée

à 15 mSv sur les 12 derniers mois en Europe (CERN et Angleterre) et à 50 mSv sur les 12

derniers mois aux États-Unis. Depuis août 2003, la dose efficace maximale est passée à 20 mSv

sur les 12 derniers mois.

Lors d'un scanner médical, le patient peut par exemple recevoir une dose moyenne de 0,05 mSv

(examen local), de 25 mSv (scanner du crâne) ou de 150 mSv (scanner du corps entier). Pour

éviter tout symptôme d'altération sanguine, on se limite à un maximum de trois examens

d'organe par an.

Radioprotection []

Article détaillé : Radioprotection.

Irradiation []

Article détaillé : Irradiation.

En France, la réglementation fixe les limites annuelles de radiation à 20 mSv (2 rem) pour les

travailleurs et à 1 mSv (0,1 rem) pour la population.

Les facteurs qui protègent des radiations sont :

http://fr.wikipedia.org/wiki/D%C3%A9bit_de_dose_radioactive

http://fr.wikipedia.org/wiki/Faibles_doses_d%27irradiation

http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89quivalent_de_dose

http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89quivalent_de_dose_efficace

http://fr.wikipedia.org/wiki/Europe

http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89tats-Unis


http://fr.wikipedia.org/wiki/Radioprotection

http://fr.wikipedia.org/wiki/Irradiation

43

Distance (la variation du débit de dose (DDD) est inversement proportionnelle au carré de la distance à la source) ;

Activité (en centrale nucléaire, on effectue diverses opérations pour enlever les sources des conduits) ;

Temps (la dose est proportionnelle au temps ; rester le moins longtemps près de la source) ; Écran (plomber, recouvrir d'acier, bétonner, immerger la source, par exemple).

Certains comportements sont susceptibles d'entraîner une surexposition à la radioactivité : un

patient qui passe 5 radiographies aux rayons X peut subir une dose de 1 mSv ; les passagers et le

personnel navigant des avions de ligne, ainsi que les astronautes en orbite, peuvent subir une

dose voisine lors d'une éruption solaire très intense. S'ils répètent ces voyages ou effectuent des

missions de longues durées, une exposition prolongée accroît le risque d'irradiation.

Contamination radioactive []

Article détaillé : Contamination radioactive.

En zone contaminée par des poussières radioactives, on se protège par une hygiène très stricte :

confinements ; tenue étanche ventilée (TEV), heaume ventilé avec surtenue, et/ou autres

protections ; nettoyage des surfaces de travail ; précautions pour éviter de soulever la poussière.

Les mesures sont réalisées au moyen de contaminamètres équipés de sonde α ou β [unités de

mesure : Bq/m³ (pour la contamination volumique) ou Bq/cm² (pour la contamination

surfacique)].

Alimentation []

Article détaillé : Contamination radioactive.

La Communauté européenne a fixé des doses de radioactivité à ne pas dépasser dans les

aliments : le lait ne doit pas dépasser 500 Bq/l pour l'iode 131. Dans certains länder allemands,

les normes sont beaucoup plus sévères (100 Bq/l en Sarre, 20 Bq/l en Hesse et Hambourg).

http://fr.wikipedia.org/wiki/Rayons_X

http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89ruption_solaire



http://fr.wikipedia.org/wiki/Communaut%C3%A9_europ%C3%A9enne


http://fr.wikipedia.org/wiki/Iode

http://fr.wikipedia.org/wiki/L%C3%A4nder_allemands

http://fr.wikipedia.org/wiki/Sarre_%28Land%29

http://fr.wikipedia.org/wiki/Hesse_%28Land%29

http://fr.wikipedia.org/wiki/Hambourg

Documents

Chimie physique-ii