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Passer à la première page Guy Collin, 2012-06-28 LA CHIMIE PHYSIQUE Chapitre 11 Les états dispersés.

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1 Passer à la première page Guy Collin, LA CHIMIE PHYSIQUE Chapitre 11 Les états dispersés

2 Passer à la première page v = 0 v = 1 v = 2 h Préambule n Une solution est un mélange homogène dont les propriétés sont identiques en tout point de lespace. n Certains mélanges ne constituent plus de véritables solutions : ce sont davantage des dispersions dune phase dans une autre de telle sorte que les propriétés diffèrent dun point de lespace à un autre. n Quelles sont les propriétés de ces milieux ? n Quelles sont les lois qui les gouvernent ? n Comment les traite-t-on ?

3 Passer à la première page v = 0 v = 1 v = 2 h Définitions des systèmes dispersés n Définition : un système dispersé est formé dau moins deux phases homogènes : u Lune est la phase dispersante; u Lautre est la phase dispersée. n Une solution vraie est une phase dispersante au sein de laquelle une ou plusieurs phases, dont le diamètre est inférieur à 1 nm, sont dispersées. n Les solutions colloïdales contiennent une phase dispersée dont le diamètre des particules est compris entre 1 nm et 1µm : u La phase dispersante est la phase micellaire. u La phase dispersée est constituée de micelles.

4 Passer à la première page v = 0 v = 1 v = 2 h n Dans les gaz,les aérosols u nuages, fumées, brouillards. n Dans les solides les vitréosols : u gaz dans solides, métaux dans métaux... n Dans les liquides : u les sols : solides dans liquides, solutions colloïdales ordinaires (Au, C, …); u les émulsions : liquides dans liquides; u les mousses : gaz dans liquides. Classification des dispersions

5 Passer à la première page v = 0 v = 1 v = 2 h Les sols réversibles ou lyophobes n Les micelles nabsorbent pas les molécules de solvant. n Elles portent des charges électriques par absorption électrolytiques. n Elles sont stabilisées par une sphère deau ou de solvant (solvatation). n Les agents peptisants stabilisent le sol réversible. n Il existe des agents dépeptisants. n Coagulation = floculation. n Techniques appliquées : dialyse et électrodialyse, ultrafiltration électrofiltration, électrodécantation.

6 Passer à la première page v = 0 v = 1 v = 2 h Les sols irréversibles ou lyophiles n Les micelles absorbent les molécules de solvant. n Elles portent des charges électriques. n Elles sont stabilisées par une sphère deau ou de solvant (solvatation). n La stabilité est plus grande que celle du sol réversible. n Il existe des agents dépeptisants. n Possibilité de relargage par des électrolytes. n Coagulation = coacervation. n Techniques appliquées : viscosité, osmométrie, sédimentation, diffusion de la lumière.

7 Passer à la première page v = 0 v = 1 v = 2 h Les gels n Dispersion colloïdale aux propriétés mécaniques particulières voisines de celles de liquides très visqueux ou de solides : u La déformation élastique : module de YOUNG; u Lécoulement plastique : point de fluage; u La thixotropie : liquéfaction du gel par agitation; u La rhéopexie : accélération de gélification par agitation; u Isotrope : deviennent biréfringents par déformation; u Le gonflement dun gel « sec » qui absorbe du solvant; u La maturation par expulsion de molécules de solvant : synérèse; u La diversité des types de liaisons.

8 Passer à la première page v = 0 v = 1 v = 2 h Les suspensions solides n Dispersion dun solide dans un liquide : particules de plusieurs µm. n Sédimentation rapide : loi de STOKES. u Le tamisage; u La sédimentation; u La lévigation; u La balance granulométrique. n Mouillage - étalement - pouvoir mouillant.

9 Passer à la première page v = 0 v = 1 v = 2 h La loi de STOKES n Les particules sont soumises : u à la pesanteur : elles tendent à descendre; u à la résistance due au frottement (viscosité). r est le rayon de la sphère; la viscosité du liquide; v la vitesse de descente de la sphère. d s et d sont les densités du solide et du liquide; g est laccélération de la pesanteur.

10 Passer à la première page v = 0 v = 1 v = 2 h La loi de STOKES n Soit une bille en descente dans un fluide, n on obtient, à léquilibre, une vitesse limite : n La vitesse de sédimentation croît : u comme le carré du rayon r de la sphère; u comme la valeur de g (centrifugeuses); u en fonction inverse de la viscosité du liquide. FGFG FRFR

11 Passer à la première page v = 0 v = 1 v = 2 h Les émulsions n Ce sont des liquides dispersés dans un liquide. n Systèmes thermodynamiquement instables : nécessité dun agent émulsionnant. n Deux sortes : u Le type huile dans eau (H/E) : F propriétés de leau (conductivité électrique …). u Le type eau dans huile (E/H) : F propriétés de lhuile (coloration au Soudan III …). u La possibilité dinversion (faire tourner la mayonnaise).

12 Passer à la première page v = 0 v = 1 v = 2 h Définitions des grains dispersés n Grosseur, diamètre des grains : u Cest la longueur du côté du cube qui a le même volume que le grain irrégulier. n Grosseur moyenne de grain : u grosseur moyenne = volume moyen.

13 Passer à la première page v = 0 v = 1 v = 2 h Définitions des grains dispersés n Indice de masse P(i). u Cest le rapport entre la somme des masses des particules dun diamètre inférieur à une certaine valeur i et la masse totale : n Indice de nombre de grains N(i). u Cest le rapport entre le nombre de particules dont le diamètre est inférieur à une certaine valeur i et le nombre total de grains :

14 Passer à la première page v = 0 v = 1 v = 2 h Définitions des grains dispersés n Indice de surface S(i). u Cest le rapport entre la somme des surfaces des particules dont la grosseur est inférieur à une certaine valeur i et la surface totale des grains : Note : la surface du cube = 6 fois la surface dun côté.

15 Passer à la première page v = 0 v = 1 v = 2 h Choix de la Méthode de mesures des grains

16 Passer à la première page v = 0 v = 1 v = 2 h La sédimentation n Grosseur des particules < 0,1 mm. n Dilution suffisante pour éviter lagglomération des particules : u La coagulation péricinétique : par mouvement brownien les petites particules sagglomèrent; u La coagulation orthocinétique : les grosses particules entraînent les plus petites. On peut limiter cet effet par addition délectrolytes. Les particules se repoussent par charges électriques. Puisque L 3 = 4/3 r 3, la loi de STOKES devient :

17 Passer à la première page v = 0 v = 1 v = 2 h Le tamis Le principe 30 kg de 75µm à 100 mm Tiré de : 5 g de 25 µm à 25 mm

18 Passer à la première page v = 0 v = 1 v = 2 h Mouillage et étalement n La zone inter faciale est le siège dune énergie parfois importante. n Dans le cas dune interface liquide-liquide, le coefficient détalement, S est égal à : S = E H H,E E est la tension de surface du liquide inférieur. H est la tension de surface du liquide supérieur. H,E est la tension inter faciale. H E

19 Passer à la première page v = 0 v = 1 v = 2 h Mouillage et étalement n Si S > 0, il y a étalement. n Dans le cas du mouillage solide / liquide : S = E H H,E S = sol liquide S,L n Il faut que lénergie superficielle, ou de surface, du solide soit élevée : sol > liquide + S,L Dans le cas de leau, on ajoute un agent tensioactif qui abaisse la valeur de eau. H E

20 Passer à la première page v = 0 v = 1 v = 2 h Les émulsions n Ce sont des dispersions de type liquide-liquide. n Dimension des gouttelettes : 0,2 à 10 µm. n Différence de densité faible entre les 2 liquides. n Instables elles évoluent très lentement. n Elles sont thermodynamiquement instables. particules 5 µm sphères 1, cm 2 H,E > 10 7 ergs agitation 20 ml dhuile 20 ml deau 1 cm 2 ; H,E 100 ergs H E

21 Passer à la première page v = 0 v = 1 v = 2 h Les types démulsions n Système E /H : u Il ne conduit pas le courant électrique; u Il ne se mélange pas à leau; u Le colorant Soudan III sy dissout. n Système H /E : u Il conduit le courant électrique; u Il se mélange à leau; u Le colorant Soudan III ne sy dissout (ne la colore pas).

22 Passer à la première page v = 0 v = 1 v = 2 h Les agents émulsionnants n Un agent tensioactif diminue la tension inter faciale et donc prolonge la vie de lémulsion. n Il doit être plus soluble dans la phase dispersante que dans la phase dispersée. n Agents émulsionnants pour les systèmes E / H. u Les savons alcalino-terreux, les cires, les esters dacides gras supérieurs,... n Agents émulsionnants pour les systèmes H / E. u Les savons alcalins, la pectine, la caséine, la gélatine, lalbumine, les détergents,...

23 Passer à la première page v = 0 v = 1 v = 2 h La balance hydrophile - lipophile (BHL) n Pour les acides gras, on utilise la formule de GRIFFIN S indice de saponification de lacide gras A indice d acide de lacide gras

24 Passer à la première page v = 0 v = 1 v = 2 h La stabilisation de lémulsion n La stabilité est liée surtout à la stabilité des particules dispersées. n Lajout dun savon alcalin stabilise lémulsion de type H/E. n On admet quune partie de la molécule est partiellement solubilisée par la phase E et une partie par la phase H : écran électrostatique à la coalescence. Na H H E

25 Passer à la première page v = 0 v = 1 v = 2 h Inversion des émulsions n En faisant varier les concentrations respectives, on obtient des émulsions de type H/E ou E/H. n En ajoutant un savon sodique, on stabilise une émulsion H/E. n En ajoutant une solution dun savon alcalino- terreux on peut inverser la solution.

26 Passer à la première page v = 0 v = 1 v = 2 h Le crémage des émulsions n Cest la séparation dune émulsion en deux émulsions dont lune est nettement plus riche en particules dispersées que lautre. n La vitesse de sédimentation des particules est telle que : R est le rayon des particules d 2 et d 1 sont respectivement la densité des particules et celle du solvant g est laccélération de la pesanteur est la viscosité du solvant n Plus les particules sont grosses et plus rapide est la sédimentation. n Lopération « homogénéisation » pour but de réduire r, le rayon des particules et donc daugmenter la stabilisation.

27 Passer à la première page v = 0 v = 1 v = 2 h Le crémage des émulsions n Si la phase dispersée a une densité plus grande que celle de la phase dispersante, la vitesse de sédimentation est positive et le crémage est descendant. n Inversement, il est ascendant. n Le crémage est accéléré par laugmentation de g. n Dans le cas dune écrémeuse : est la vitesse angulaire et R est la distance de la particule à laxe de rotation.

28 Passer à la première page v = 0 v = 1 v = 2 h La démulsification n Cest la séparation en deux phases différentes et homogènes ou encore la formation dune seule phase homogène. n Exemple : une émulsion H/E est détruite par ajout déthanol soluble dans les deux phases. n Il existe dautres techniques de démulsification ou de rupture démulsion : u électriques; u mécaniques; u chimiques...

29 Passer à la première page v = 0 v = 1 v = 2 h Les mousses n Dispersion dun gaz dans un liquide. n On obtient parfois des mousses par dispersion dun gaz dans un liquide en cours de solidification (solides expansés). n En général, un liquide ne mousse pas : il faut ajouter un agent moussant. n La formation dune bulle de gaz dans un liquide est facilitée par une faible tension de surface. n Il existe des produits antimoussants : les spumifuges (le lait en contient).

30 Passer à la première page v = 0 v = 1 v = 2 h n Dispersions fines de solides ou de liquides dans un gaz. n La viscosité du gaz est en général très faible. n La stabilité est dépend de la concentration des particules et de leur énergie cinétique. n Le libre parcours moyen est grand. n La coagulation a lieu par collision de 2 particules. Ce sont des réactions dordre 2 (voir un cours de Cinétique chimique). n La constante de diffusion est donnée par : D = R T N 1 6 r Les aérolsols

31 Passer à la première page v = 0 v = 1 v = 2 h n Les états dispersés prennent diverses formes (fumées, émulsions, mousses, gels, solutions colloïdales,... n Ces systèmes sont en général des états instables dont les temps de vie sont parfois très longs. n Les modes de séparation sont divers mais reposent souvent soit sur : u leur stabilité, u les différences de densité entre les deux phases. Conclusion


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