2.3. Choix du Matériel : pré-sélection du matériel présent sur le marché
2.3.4. Cellules de conductivité
Toute solution comporte un solvant et des solutés plus ou moins concentrés. Dans le cas des solutions électrolytes, tout ou partie des solutés est sous forme ionique. La conduction électrique dans ce type de solution est toujours associée à des mouvements macroscopiques d’un ou plusieurs types d’ions qui rendent possible le passage d’un courant électrique.
La mesure de la conductivité renseigne donc sur la composition ionique totale d’une solution.
-- 118 -- CHAPITRE 2
Des mesures de conductivité de solutions de sol sont prévues dans la suite des travaux pour voir s’il est possible de quantifier les échanges d’ions dans le sol au cours du temps. De plus, le choix des électrodes pH et Eh se fera en fonction de la qualité de leur fritté (mesure de la quantité de KCl qui migre à travers le fritté pendant un certain temps). Ceci se fera par le suivi au cours du temps de la conductivité de la solution étudiée. Deux modèles de cellules de conductivité ont été utilisés au cours de ces travaux (Tableau 9) : EC1 et EC2.
Tableau 9 : Les deux cellules de conductivité utilisées et leurs principales caractéristiques
Code Interne EC1 EC2
Fournisseur RADIOMETER RADIOMETER
Modèle XE100 CDC745-9
Photo
Corps de la cellule Verre Epoxy
Diamètre 12 mm 12 mm
Prof. d’immersion mini. 10 mm 14 mm
Usage Milieux aqueux Général - Utilisation sur le terrain
Prix 225 € 215 €
EC1 et EC2 sont toutes deux fabriquées par RADIOMETER ANALYTICAL. Elles ont des caractéristiques très similaires (même diamètre, profondeur minimale d’immersion très proche). La seule différence entre les deux cellules réside dans l’ouverture ou non du bas de la cellule ainsi que le type du corps de la cellule (Tableau 9).
EC1 est destinée par le constructeur à la réalisation de mesures en milieux aqueux. EC2 a quant à elle un champ d’application plus large et peut également être utilisé pour des mesures de conductivité directement sur des échantillons de sols. Dans ces travaux, avant chaque série de mesures les cellules de conductivité ont été étalonnées selon un étalonnage en un point avec une solution étalon à 1 413 μS/cm (Fisherbrand) (Crison Instruments 2004).
Ces cellules de conductivité, également appelées cellules de conductimétrie permettent de mesurer la conductance d’une solution c’est-à-dire les propriétés conductrices d’une solution par l’intermédiaire des charges ioniques présentes dans cette dernière (Figure 54). Les cellules se composent de deux électrodes, généralement en platine ou en carbone et recouvertes selon les cas de noir de platine ou noir de carbone.
-- 119 -- CHAPITRE 2 Figure 54 : Une cellule de conductivité
La conductance G de la portion de solution aqueuse comprise entre les deux électrodes est définie comme l’inverse de la résistance R (loi d’ohm) (Figure 54) :
𝐺 (𝑆) = 1
𝑅 (𝛺) = 𝐼 (𝐴) 𝑈 (𝑉)
La conductance s’exprime en siemens (S) et est équivalent à Ω-1 (ou ohm-1). Elle est
proportionnelle à la surface S des électrodes, à l’inverse de la distance 𝑙 entre les électrodes et dépend de la nature de la surface. En général, le constructeur livre la cellule de
conductimétrie avec la valeur de la constante de cellule k qui correspond à 𝑘 =𝑆
𝑙 (en m).
La conductivité (σ) est alors définie comme la grandeur caractérisant la conduction de la solution entière et non plus de la portion de solution comprise entre les deux électrodes. La conductivité σ d’une solution électrolytique augmente avec sa concentration en ion et sa température ; elle dépend aussi de la nature des ions en solution. Par contre, elle ne dépend ni de la géométrie ni de l’état des électrodes de la cellule de conductimétrie.
Elle est déterminée par la relation :
𝜎 (𝑆. 𝑚−1) = 𝐺 (𝑆) × 𝑙 (𝑚) 𝑆 (𝑚2) = 𝐺 (𝑆) 𝑘 (𝑚) Avec : ➢ G : la conductance (S) ➢ σ : la conductivité de l'électrolyte/solution (S. m-1)
➢ S : l'aire des plaques du conductimètre immergées dans la solution (m2)
➢ l : la distance entre ces deux plaques (m)
➢ k : la constante de cellule (m). Selon les constructeurs, la constante de cellule peut
également être exprimée en 𝑘′= 𝑙
𝑆 (𝑚
−1), la relation devient alors 𝜎 = 𝑘′× 𝐺
La conductivité ionique théorique d’une solution peut également être calculée. Elle dépend de plusieurs facteurs, à savoir :
➢ La mobilité naturelle de l’ion
➢ La température (lorsqu’elle augmente l’agitation particulaire augmente, donc la
mobilité des ions aussi)
-- 120 -- CHAPITRE 2
➢ La charge électrique de l’ion
➢ La concentration de l’ion
La conductivité ionique d’un ion est proportionnelle à la concentration de cet ion dans la solution et peut être calculée via la conductivité molaire ionique (λi) de l’ion en question,
définie par la loi de Kohlrausch :
σi = λi × 𝐶𝑖 ( 57 )
Avec :
➢ σi : conductivité ionique (S. m-1)
➢ λi : conductivité molaire ionique (S. m2.mol−1)
➢ Ci : concentration de l’ion (mol. m−3)
Ainsi pour n’importe quelle solution ionique, la conductivité de la solution peut être calculée par la somme des conductivités ioniques des ions présents :
σ = ∑ σi ( 58 )
Soit :
σ = ∑(λi × 𝐶𝑖) ( 59 )
Comme le montre l’équation 59, plus il y a aura d’espèces ioniques en solution plus la conductivité sera élevée. A l’inverse plus une solution sera dépourvue d’espèce ioniques, plus la conductivité sera proche de 0. C’est notamment pour cette raison que la conductivité d’une eau distillée est quasiment égale à 0. La mesure de la conductivité d’une solution inconnue, comme peut l’être une solution de sol dont on ne connait pas les espèces ioniques dissoutes, renseigne sur la quantité d’espèces ioniques présentes en solution mais pas sur le type des espèces. Dans la suite du document toutes les conductivités molaires ioniques (λi) utilisées pour ces travaux ont été reportées en ANNEXE 5 sous forme de tableau. Bien que la conductivité soit exprimée selon le Système International d'unités (SI), en Siemens par mètre (S/m), les résultats présentés dans ce document sont en µS/cm. Ce choix a été fait afin de faciliter l’expression des résultats. Les calculs de conversion d’unités entre les résultats développés ici et le SI sont disponibles en ANNEXE 5.