Les applications industrielles des alcalins

SOMMAIRE Présentation des alcalins Lithium Sodium L’accumulateur au lithium L’horloge atomique Autres applications

Les Alcalins Les alcalins sont les éléments chimiques de la première colonne du tableau périodique des éléments : le lithium (Li), le sodium (Na), le potassium (K), le rubidium (Rb), le césium (Cs) le francium (Fr) Les métaux alcalins sont de couleur argentée, mous et de faible densité. Ils réagissent facilement avec les halogènes pour former des sels ioniques, et avec l'eau pour former des hydroxydes fortement basiques. Ces éléments ont un électron sur leur couche de valence, et donc une énergie de première ionisation assez faible.

Lithium Le lithium est le métal ayant la plus faible masse molaire et le plus léger, avec une densité égale à la moitié de celle de l'eau. Le lithium est largement distribué sur la planète, mais on ne le trouve pas sous sa forme métallique à cause de sa grande réactivité. On le trouve principalement comme impureté dans les sels d'autres métaux alcalins. Les sels de lithium , comme Li2CO3sont utilisés pour les traitements bipolaires (maniaco-dépressifs) Le lithium est aussi utilisé dans la synthèse de composés organiques, de lentilles de télescopes IL est surtout utilisé dans les accumulateurs

L’accumulateur au lithium De nos jours, les équipements portables nécessitent des batteries capables de fournir un maximum d’énergie et de puissance pour un minimum de volume et de masse. Compte tenu de sa faible masse volumique et de sa capacité à céder facilement un électron le lithium est utilisé dans les accumulateurs destinés aux appareils portables. Le lithium est le plus réducteur des métaux. Il permet d’atteindre des tensions de l’ordre de 4,5V contre 1,5V pour les autres systèmes.

Décharge Le lithium est relâché par le matériau d’intercalation hôte <H> (anode) sous forme ionique Li+. Li+ migre à travers l’électrolyte et vient s’intercaler dans le réseau cristallin de la cathode La migration de chaque ion Li+ est exactement compensé par le passage d’un électron dans le circuit externe. anode cathode

Charge on impose une tension à l’accumulateur Li+ migre à travers l’électrolyte et vient s’intercaler dans le réseau cristallin du matériau hôte <H>

Les accumulateurs au lithium Le principe de fonctionnement d’un accumulateur au lithium est le même selon qu’est utilisée une anode de lithium métallique ou à base de carbone. Dans ce cas on parle de d’accumulateur Lithium-ion (Li-ion), car le lithium n’est jamais sous forme métallique dans l’accumulateur CEA (Commissariat à l’Énergie Atomique)

Sodium

L’horloge atomique à jet de césium « La seconde du système international d'unité est la durée de 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre les deux niveaux hyperfins de l'état fondamental de l'atome de césium 133 » . (Bureau International des Poids et Mesures ) La seconde est l'unité qui est réalisée avec la plus grande exactitude. Cela permet de définir le mètre (la vitesse de la lumière étant fixée par définition à 299 792 458 m/s), ainsi que le volt. Les meilleures horloges atomiques atteignent aujourd'hui une précision de l'ordre de 10-14 s, elle dérivent seulement d'une seconde tous les 1 400 000 ans ! Les horloges atomiques sont employées dans les technologies de positionnement géographique (GPS). PHOTOS

Schéma du horloge atomique à jet de césium

Fonctionnement Un système physique permet de créer un jet d'atomes, dans lequel seuls les atomes correspondant à l'état désiré sont gardés. Le jet d'atomes dans l'état A passe dans un oscillateur à quartz et un certain nombre ressortent dans l'état B. L’oscillateur à quartz émet une onde de fréquence  qui permet la transition énergétique des atomes de l'état A vers l'état B. La sortie du jet atomique est analysée : on compte le nombre d'atomes dans l'état B. Plus la fréquence de l'oscillateur à quartz est proche de , plus le nombre d'atomes B comptés en sortie est grand et donc plus  est proche de la fréquence correspondant à la transition énergétique entre les états A et B. La fréquence  est de 9 192 631 770 Hz.

Autres applications Anti-maniaco-dépressif (sels de lithium) Verres et céramiques à faible expansion thermique Extraction du CO2 de l’air dans milieux confines Alliages Transfert de chaleur convection dans les climatisations (lithium) Fluide caloporteur dans certains réacteurs nucléaires (sodium) Capteur de gaz pour tube cathodique et tube électronique pour parfaire le vide (rubidium) Produits pharmaceutiques, cosmétiques, pesticides (sodium)

Le Francium C'est l'élément naturel le plus rare : il n'en existerait que quelques dizaines de grammes sur toute la Terre. Cette rareté est due à son existence transitoire, en tant que produit de désintégration de l'actinium. La demi-vie de l'isotope le plus stable 223Fr est de 23 minutes, puis il se transforme lui-même en radon par désintégration bêta ou en astate par rayonnement alpha. Il n'a pas d'utilisation connue.

Photos de l’horloge atomique RETOUR

Structure hyperfine L'observation à haute résolution des raies lumineuses d'un spectre d'émission ou d'absorption met en évidence la présence d'une superposition de plusieurs composantes au sein d'une même raie. Une raie principale est donnée par le nombre quantique principal n caractérisant les états propres des fonctions d'onde de ses orbitales électroniques. Dans un même niveau quantique principal, la théorie va donner pour un même nombre quantique n une série de sous-niveaux correspondant à des états quantiques dégénérés qui vont être créés par les diverses interactions physique au sein de l'atome (interaction spin-orbite, effets de volume, effets de masse...). Ces sous-niveaux sont en fait la cause de la structure composée de la raie principale observée dans le spectre. On parle alors de structure fine voir hyperfine pour certains atomes dans des conditions particulières de champ magnétique. RETOUR

Sources Wikipédia.fr CEA Commissariat à l’Energie Atomique