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Spectre hertzien et structure des solides : II. Absorption
Debye de l’eau libre et de l’eau liée
Marie Freymann, René Freymann
To cite this version:
165.
EXPOSÉS
ET
MISES
AU
POINT
BIBLIOGRAPHIQUES
SPECTRE
HERTZIEN
ET STRUCTURE DES SOLIDES : II. ABSORPTION DEBYE DE L’EAU LIBRE ET DE L’EAULIÉE.
Par Mme MARIE FREYMANN et M. RENÉ FREYMANN.
Faculté des Sciences de Rennes.
Sommaire. - Dans la
partie I de cette mise au point, nous avions souligné que la notion de « défaut de réseau » permettait d’envisager sous un jour nouveau l’interprétation de l’absorption Debye hert-zienne des solides. Cette interprétation, indiscutable aujourd’hui pour les cristaux ioniques et les
semi-conducteurs, peut-elle s’étendre aux cristaux moléculaires et à l’eau solide en particulier ? C’est ce
qu’examine la présente mise au
point
qui essaie de rassembler les résultats expérimentaux de divers auteurs relatifs à l’absorption hertzienne de l’eau sous diverses formes : eau libre, eau liée dans le réseau cristallin, eau liée par adsorption sur les solides.Le problème examiné ici présente non seulement un intérêt théorique mais également une importance
pratique : ciments, argiles, humidité des matériaux, eau en biologie végétale et animale, etc. Le présent exposé est complété par une autre publication
[32].
Nous nous proposons de rassembler ici les
principales
données, acquises
par de nombreuxchercheurs,
relatives
àl’absorption
hertzienne de l’eau libre et del’eau liée. Cet
exposé
s’efforcera de grouper cesdocu-ments
expérimentaux
autour de cette idée directrice :Est-il
possible d’interpréter l’absorption
hertzienneDebye
des cristaux moléculaires en introduisant la notion de «dé f aut
de réseau » comme on l’af ait
[8], [9],
[23], [24]
pour les cristauxioniques
et lessemi-conduc-teurs ? Nous ferons remarquer immédiatement à ce
sujet
que dans lapartie
1 de cette mise aupoint
[24],
nous avions admis l’existence de deuxtypes
différentsde
dipôles :
1° Lesdipôles
liés à l’orientation demolécules ou de
groupements
d’atomes dans le réseau cristallin(supposé parfait) (ex. : H20);
20 Lesdipôles
liés aux défauts de réseau
(ex. :
NaCl,
ZnO).
Sil’hypo-thèse que nous
envisageons plus
loin estvalable,
onpourrait
fondre dans une théorieunique
lesphéno-mènes
diélectriques
propres aux cristauxioniques,
aux semi-conducteurs et aux cristaux
moléculaires;
reconnaissons dès maintenant que cette unification n’est pas encore définitivement
acquise (1).
Nous étudierons successivement trois
questions :
1° L’eau
libre;
2° L’eau liée dans le réseaucristal-lin ;
30 L’eau liée paradsorption
sur les solides. Nous examinerons enfin très brièvement lesconséquences
pratiques
etthéoriques
de ces donnéesexpérimentales.
I. - L’eau libre et les
défauts de réseau.
1.
L’absorption
hertzienne de l’eau et soninterprétation classique.
- A. FAITSEXPÉRIMEN-(1)
La présente mise au point complète un exposé sur le mêmesujet, relatif aux recherches effectuées à Rennes
(Colloque
duC.N.R.S., à Paris en juin 1953 : Les molécules d’eau dans les
solides); il conviendra donc de se reporter au Mémoire
corres-pondant [32] pour avoir une vue
complète
de laquestiQn,
PHYSIQUE
15,
1954,
PAGTAUX FONDAMENTAUX. - a. Glace pure. 2013 Observée
en
1924
par Errera[18 bis], puis
par Granier[34 bis],
l’absorption
hertzienne de laglace
en ondeskilo-métriques
fut étudiée peuaprès
par divers chercheurs :Smyth-Hitchcock [67],
Wintsch[71], Oplatka [55].
Les recherchesexpérimentales
cessèrent alors et ce futl’époque
des travauxthéoriques :
Bauer[3], [4],
Debye
[27], Frohlich [33],
Kirkwood[33],
Onsa-ger[33].
Grâce aux
techniques centimétriques
et leursapplications pratiques
(Radar),
de trèsimportantes
recherches
expérimentales
sur l’eauliquide
furentpubliées
dès1945 -1946 (Saxton-Lane [47], [63];
Hasted et coll.
[10],
[13], [14], [38],
[39],
[40],
[41],
etc.Mais,
àpart
le Mémoire de Lame -[45]
en1946,
c’est surtout vers1952
que l’étude de laglace
fut
reprise : Auty-Cole [2],
Humbel-Jona-Scherrer[42],
Murphy [54 bis],
Powles[57],
travaux effectués à Rennes. En mêmetemps
naissait l’idéed’interpréter
l’absorption
hertziennedipolaire
par la notion dedéfaut de réseau
18],
[9],
[23],
[24].
Les
figures
1 et 2 résument l’essentiel des donnéesexpérimentales
obtenues par ces divers auteurs pourl’eau
liquide
et l’eausolide;
lafigure
I donne larepré-sentation
E"( T, v);
lafigure
2,E"(v, T).
Nous ferons deux remarques au
sujet
de cesfigures
(1) :
10 En
première
approximation,
onpeut
dire que,vers la
température
ordinaire,
l’eauliquide absorbe
enondes
centimétriques
alors que l’eau solide absorbe enondes
kilométriques;
nous reviendrons par lafigure
5sur ce
sujet
particulièrement
important;
2°
Soulignons
qu’il s’agit
de bandes deDebye
(maximum
de s"correspondant
à une inflexion(1)
Rappelons
également : E* == E’ - jE";tg Ô == f;
ve,fré-quence du maximum de E" pour la
température
T;rappe-lons que le maximum de E" est distinct de celui de
tgS [27],
de El
[27];
on doit lesdistinguer
soigneusement
del’absorption
parporteurs
libres(conductibilité ionique
ouélectronique);
cette dernièreabsorption
se traduit parEau solide.
Variations de s" If
de la glace avec la température et la
fréquence, SMYTH-HITCHCOCK [67J.
de
brusques
montées del’absorption,
vers lestempe
ratures élevées(ou
vers les bassesfréquences).
b.
L’influence
de tracesd’impuretés.
- Nouscroyons
indispensable
desouligner
dèsmaintenant,
par lafigure
3, une sérieuse et intéressante difficulté expéri-mentaleprésentée
par ces ’recherches :L’influence
considérable de traces minimes
d’impuretés :
courbeA,
glace
et cuve de mesure aussi propres quepossible;
Eau liquide.
Variation
de z
de l’eau pure avec la température ; varia-tions de y de soluvaria-tions aqueuses NaCI; x, 1,37 N;0 2,o5 N; 0 2,74 N) SAXTON-LANE [47], [63].
Eau liquide.
Variations de 2’ et i en fonction de la longueur d’onde
(en
cm), à la température ordinaire, SAXTON LANE[47], [63].
courbe
B,
nous avons trèslégèrement
touché dudoigt
les électrodes du condensateur
plan;
courbe C : cesélectrodes ont été
longuement
manipulées
et salies.Eau solide.
Variations de
ô tg
a
en fonction de lafréquence,
à diverses températures : A. glace pure; B. glace impure,HUMBEL, JONA, SCHERRER [42].
Ce rôle des
impuretés
était connudepuis
lesqu’une gêne
à leurs recherches etessayaient
d’éliminertoute trace
d’impureté.
Comme nousl’indiquerons
plus
loin, il
nous semblequ’il faudra
désormais suivre la voie inverse :guidé
par laconception
dedéfauts
deFig.
3. - Influence de tracesd’impuretés
sur les électrodes (v = k Hz).
réseau,
introduiresystématiquement
desimpuretés
connues dans l’eau solide pure.
B. LA CONCEPTION CLASSIQUE DE L’ORIENTATION
DES MOLÉCULES. - a.
Rappel relatif
à la théorie desdiélectriques.
- Nousrappellerons
ici brièvementquelques
notionsclassiques
sur la théorie desdiélec-triques
que nous avionsdéjà
indiquées
dans notreprécédent
Mémoire[24],
notionsqui s’appliquent
notamment au cas de l’eau : .I ° L’étude des
diélectriques
dans unchamp
sta-tique; rappelons [33]
les recherchesthéoriques
deBauer,
Debye,
Frohlich, Kirkwood,
Onsager,
Van Vleck-Cole et cellesplus
récentes de Powles[57]
sur la constante
diélectrique
de laglace
etd’Has-ted
[40]
sur la structure de l’eauliquide.
2° L’étude des
diélectriques
dans unchamp
alter-natif,-
basée sur l’idée dedipôle
s’orientant dans lechamp
alternatif;
dans laconception
première,
ledipôle
c’est la molécule ou unepartie
de la molécule(cristaux
moléculaires).
’Sans rien
préjuger
sur la nature de cesdipôles,
trois théories essaient de rendre
compte
des faitsexpérimentaux (voir [7]
et[63]) :
toutes troiscondui-sent aux mesures de F-’ et s " et
donnent :
(go
et Eoo constantediélectrique
pour lesfréquences
oet
ic);
mais xdépend
de la théorie. SelonDebye,
x
=
EO -1- 2 t,YC; ; selonOnsager
,c = wt ; selon vangoo + 2
Vleck-Cole x =
T -
le terme Õ étant enpartie
empi-rique.
Dans chacun de ces cas, le maximum de s"a lieu
respectivement
pour lafréquence
critique ’1(.
définie par
Rappelons qu’indépendamment
de la théoriechoisie,
Cole et Cole ont montré
[12]
qu’en éliminant
x entre les deuxéquations
ci-dessus,
on remarque que lacourbe reliant s" à s’ f
est un
cercle,
s’iln’y
aqu’un
seul
temps
de relaxation. C’est ce que montre lafigure
4.b. La théorie de l’orientation
dipolaire
et larepré-sentation
Log v(’ -
T
I. Suivant laconception
classique,
ledipôle
est lié à la molécule d’eauqui
s’oriente dans lechamp
de hautefréquence ;,, et,
selon ’ les idéesdéveloppées plus
particulièrement .
parE. Bauer
[3],
[4], [52],
« en l’absence dechamp
extérieur,
les molécules d’eaupeuvent
occuper, parrapport
à leursvoisines,
deux(ou plusieurs)
orienta-tionsdifférentes, positions séparées
par des barrièresde
potentiel
de hauteur U =6.H;
l’application
d’unchamp
extérieur modifielégèrement
lesprobabilités
des deux orientations et provoque donc une
polari-sation du solide ». On voit que cette
conception
suppose
implicitement
que le réseau cristallin estparfait
-ou, tout au
moins,
ne tient pasobliga-toirement
compte
de sesimperfections.
II. Suivant les méthodes de la
cinétique
desréac-tions - et
par
analogie
avec la théorie de laviscosité,
-Eyring
a donné[19 bis), [33] l’expression
suivante dutemps
de relaxation Tqui
intervientdans
lesfor-mules
exprimant x
Fig. 4. -
Diagramme de Cole-Cole pour la glace
d’après
Auty et Cole[2].
’ou encore,
d’après
les relations(vues plus haut)
entre T et ’1 c :où v,,
est lafréquence correspondant
au maximumde
e"
à latempérature
T.III. Cette formule
explique
l’intérêt de larepré-sentation des résultats
expérimentaux
par des courbesreliant
Log Vc
à Î, :
on doit obtenir des droites(tant
hàs
que l’on
peut
supposer que a =k1J e R
estindé-pendant
de latempérature).
C’est ce que montre lafigure
5qui
résumeainsi,
de lafaçon
laplus
commode,
de nombreux résultats
relatifs
à l’eau libre et à l’eau liée(2).
On déduit de cette
représentation
Log,,- T
deuxgrandeurs
fondamentales : 1°L’énergie
d’activation U,
donnée par la
pente
de la droite(environ
13 kcal pour laglace,
4,5
kcal pour l’eauliquide);
20 Leterme A que l’on doit lier au mécanisme de
l’orien-tation
dipolaire
[8], [9], [24];
ce terme A se déduit-- d’une
façon purement
formelle -, del’extrapo-1 ation de la droite
pour -
= o. On remarquera sur lafigure
5 que cetteextrapolation
conduit à des valeurs de A assez voisines pour l’eauliquide
et l’eau solide(A
voisin de13,5
à14,5),
faitimportant qui
nesemble pas avoir été
signalé
jusqu’ici.
Bienqu’il
(2) Nous tenons à remercier M. Hasted de nous avoir
communiqué les valeurs les plus récentes relatives à ses mesures
(inédites)
sur l’eau liquide.puisse s’agir
d’unesimple
coïncidence,
on noteraéga-lement,
sur lafigure
5,
divers autres cas pourlesquels
A est voisinégalement
de 13 à15;
ce sont descomposés pouvant former,
commel’eau,
desliai-sons
hydrogène.
Aux
grandeurs
U et A il convientd’adjoindre
cellede
Emax?
maximum del’absorption
s" pour latempé-rature
T;
Smax
seraitlié,
dans laconception
que nousindiquerons plus
loin,
au nombre de défauts de réseau[8], [9], [24].
2.
L’absorption
hertzienne de l’eau et les défauts de réseau. - A. RAPPEL SUR LATHÉO-RIE DES SOLIDES ET LES DÉFAUTS DE RÉSEAU.
- Pour les
composés
à l’état de vapeur, les niveauxd’énergie
de l’atome sont très étroits. Par contre on sait(3)
que dans un corps solide(ex. :
cristalionique NaCl)
unelarge
( bande de valence »corres-pond
au dernier niveau(de valence)
de l’atomeisolé;
au-dessus de cette bande devalence,
unelarge
« bande de conduction »correspond
aupremier
niveau excité de l’atome isolé. Ceci pour unsolide
pur, un cristalpar f ait.
Mais,
dans un solideprésentant
desimperfections
-ou
défauts
de réseau -, des niveauxintermédiaires,
généralement
trèsétroits,
apparaissent
entre la bande de valence et la bande de conduction :Type
N sices niveaux intermédiaires sont voisins de la bande
de
conduction,
type
P s’ils sont voisins de la bande de valence.Et,
dans chacun de ces cas, les défauts deréseau
peuvent
être de l’un des deuxtypes
suivants :10
Imperfections
chimiques
(traces
d’un corpsétranger;
ex. : traces de Sb dans
Ge);
20Impuretés physiques
[A.
Dislocations;
B.Défauts
deSchottky (ex. : NaCI);
C. Défauts de Frenkel
(ex. : ZnO)].
La
figure
6rappelle
les schémas de niveau(de
prin-cipe)
des vapeurs, des solidesparfaits,
des solidesprésentant
des défauts de réseau de diverstypes.
Ces schémaspeuvent
être reliés à diversespropriétés
physiques
connexes.Fig. 6. -
Quelques phénomènes liés à l’existence des défauts de réseau :
1
Conductivité et effet Hall. Luminescence. Photoconductivité
et effet
photoélectrique.
Absorption infrarouge et visible. Centres colorés F et V. Diffusion; diffusion des traceurs radioactifs. Absorption Debye hertzienne. Phénomènesd’adsorption. Structure des verres. Formation de l’image photographique, etc.
(3) Nous complétons ici divers points de l’article 1 [24], trop succinct sur ce sujet. Pour un exposé détaillé, voir par
169 B. LES DÉFAUTS DE RÉSEAU ET L’ABSORPTION
HERTZIENNE DES COMPOSÉS IONIQUES ET DES
SEMI-CONDUCTEURS. - Comme nous l’avons
souligné
dans le
précédent exposé [24],
les travauxde
Brecken-ridge
sur les cristauxioniques (ex. : KCI),
ceux effec-tués à Rennes sur les semi-conducteurs(ex. : ZnO),
ont
prouvé
quel’absorption Debye
hertzienne de cessolides est. due aux
défauts
de réseauqu’ils présentent.
Commel’a
rappelé
Meinnel[ 53 ],
lesimperfections
physiques
sont le résultat dechangements
dephase,
liquide-solide
ou solide-solide.Les
exemples
choisis KCI(fig. 7)
et Zn 0( fig. 8)
Absorption Debye en fonction de la température (,v = i kHz),
BRECKENRIDGE [8], [9].
Absorption Debye en fonction de la température, M. et R. FREYMANN
[24].
suffisent à prouver que, dans ce cas, il est
impossible
d’admettre que
l’absorption
soit due à la rotation de molécules(comme
le faisaient les théoriesrappelées
plus haut) :
iln’y
a pas de molécule dans le réseaucristallin mais des ions 1
Aussi,
pourexpliquer
l’exis-tence d’une
absorption Debye, Breckenridge
a admisque les
dipôles
résultent de laredistribution,
suivantFig. 9. -
D’après BRECKENRIDGE
[9].
le schéma de la
figure
9, des lacunes d’ions + parrapport
aux lacunes d’ions -(cas
deKC1),
ou d’ions interstitiels parrapport
aux sites lacunaires(cas
de
ZnO).
La
figure
o(d’après Breckenridge)
montre enfin(sous
réserve de nouvelles confirmationsexpérimen-tales)
l’efiet de faibles tracesd’impuretés
deCdCl2
intro-duites dans Na Cl : de nouvelles bandesd’absorption
Fig. 10. -
Absorption Debye de NaCI +0,18 pour o0
de Cd Cl2 (v = i kHz), BRECKENRIDGE
[8]J
9].apparaissent.
Nous tenons àrapprocher
ce résultat, de ceux de la
figure
1 1(H20
+ tracesd’impuretés)
et desfigures
15 et 16(NaCI
+ tracesd’eau).
C. LES DÉFAUTS DE RÉSEAU ET L’ABSORPTION
HERTZIENNÈ DE L’EAU SOLIDE. - Si l’on ne saurait donc mettre en doute le rôle des défauts de réseau pour
expliquer l’absorption Debye
hertzienne descomposés ioniques
ousemi-conducteurs,
cettehypo-thèse
pouvait-elle
être étendue au cas des cristauxmoléculaires et à l’eau solide en
particulier ?
Commenous l’avons
rappelé précédemment [32],
trois groupes d’autéurs ontproposé
avant nous cetteinterpré-tation que l’on
pourrait
estimer hardie(4) :
a. Mur- .phy
[54 bis],
qui
ainvoqué
l’existence dedéfauts
deréseau sur des
surfaces
internes du cristal(pour
rendrecompte
de ses mesures sur la. conductivitéionique
de laglace);
b.Auty
et Cole[2], après
Schellman
[fi4]),
lient les notions de défauts de réseau et de liaisonhydrogène;
c. Humbel, Jona,
Scherrer[42] invoquent
également,
sansinsister,
l’existence de défauts deréseau dans la
glace
pourinterpréter
sonabsorption
hertzienne.
D. L’HYPOTHÈSE DES DÉFAUTS DE RÉSEAU OUVRE LA VOIE A DE NOUVELLES RECHERCHES SUR L’EAU ET LES SOLUTIONS AQUEUSES. -
a. Le rôle des
imper-fections physiques
doit êtreprépondérant
dans le casde l’eau solide pure, aussi pure que
possible.
C’est ainsi que l’onpeut
sans douteinterpréter
uneobser-vation
d’Auty
et Cole[2]
que nous avons confirmée :l’absorption
de l’eau solidedépend
de son histoire antérieure. Refroidie à - 6ooC,
elle ne donnepas
la même
absorption, après
réchauffement,
que si ellea été refroidie à - 180° C.
(Nous
reviendronsplus
loin sur le rôle
particulier
quejouent,
pourl’eau,
lestempératures
voisines de -100 °C).
b. Le rôle des traces
d’impuretés chimiques
dansl’eau solide
pourrait
apporter
une preuve du rôle desdéfauts de réseau. Nous avons abordé ce
problème
à la suite desexpériences
que résume lafigure
3 :Nous avons
mesuré,
pour lafréquence
1kHz,
l’absor-ption
de solutions aqueusescongelées
0,0001 Normalede
NaCl,
IICI ouNaOH;
c’est ce que montre lafigure
II.Malgré
la très faiblequantité d’impureté ajoutée,
les courbes obtenues montrent des variations
considérables,
à la fois del’absorption Debye
et del’aborption
parporteurs libres;
onpourrait
être’
tenté de penser que les modifications de
l’absorption
Debye
ne sontqu’apparentes
et dues aux modificationsde la conductibilité
ionique.
De nouvellesexpériences
sont nécessaires à ce
sujet
mais,
dèsmaintenant,
onpeut
remarquer que les résultats deHumbel, Jona,
Scherrer
( ftg. 2)
ne semblent pas confirmer cetteinterprétation;
d’autrepart,
nous voulonsindiquer
(sous
réserves de nouvellesexpériences)
que nousavons cru
déceler,
dans certains cas, deux bandesde
Debye
au lieu d’une(fig.
3 eti i).
c. Il convient de
rapprocher
ces recherches en ondeskilométriques
sur eau solide + sels de celles, en ondescentimétriques,
sur eauliquide
+sels,
deSaxton-Lane,
Hasted et coll.etc.,
[47], [63].
d. Nous tenons àsouligner
que cesexpériences
préliminaires
ouvrent la voie à de nouvellesrecherches,
tant sur la théorie des
diélectriques
que sur leproblème
desélectrolytes :
.étude des solutionsélectrolytiques
congelées
et nonplus
à l’étatliquide.
II. - L’eau liée dans le réseau cristallin. Les données
expérimentales
relatives auproblème
de l’eau liée dans un réseau cristallin sont encore très
insuffisantes;
aussi nous limiterons-nous à exposerces
quelques
données,
defaçon
aussicomplète
quepossible,
sanspouvoir
encore en tirer de conclusionthéorique.
1. Mesures en ondes
centimétriques.
- A notreconnaissance,
les seuls travaux effectués à cesujet
sont ceux de Rennes[20]
à[32],
[59].
Ren-voyant
à cespublications
(et
notamment à[32]),
nousrappellerons
seulement ceci : nous avons montréque, pour les sels à l’état de
poudre,
renfermant de nombreuses molécules d’eau decristallisation,
l’absor-ption
en ondescentimétriques
est sensiblement nulleà la
température
ordinaire(ex. :
:BrNa,
2H20;
S203Na2,5 H2 O; S04 Cu,
5 oui H20,
etc.).
De cerésultat et de ceux
exposés
dans lespremière
ettroi-sième
parties,
nous tirerons cetterègle :
Il est aisé dedistinguer
eaulibre,
eau de cristallisation et eauadsorbée. En ondes
centimétriques,
l’eau libre absorbeà la
température
ordinaire,
mais pas au-dessousde 0°
C;
l’eau de cristallisation n’absorbe ni au-dessusni au-dessous de 0° C
(5);
l’eau adsorbée absorbe aussibien au-dessus
qu’au-dessous
de 0° C.Rohmer,
seul[59],
et en collaboration avec l’unde nous
[31],
aappliqué
cette remarque à l’examende l’état de l’eau dans les sels : voir
[32]
et[31]
pour lesmélanges
NaCl +H20
et laquestion
des fauxéquilibres.
Lafigure
12 montrel’application
des mesures en ondescentimétriques
à l’étude del’hygro-scopicité
de sels : sulfate de sodiumanhydre
enpré-sence de vapeur
d’eau,
en fonction dutemps;
pourplus
de détails sereporter
au travail de Rohmer[59].
(5) Le cas des aluns semble faire exception à cette règle : l’un de nous a montré [20] que les aluns de Fe-NH4 et Al-NH4
présentent respectivement un maximum d’absorption vers 188
eut 77 oK. Comme il a été indiqué [26], ce maximum
corres-pond au prolongement dans le domaine, centimétrique des
résultats de Guillien [35] en ondes kilométriques dont il sera
2. Mesures en ondes
kilométriques
et l’eau de cristallisation. - Les donnéesexpérimentales
surl’absorption
en ondeskilométriques
des selsrenfer-mant de l’e3¡u de cristallisation sont
particulièrement
insuffisantes : selon un travail
déjà
ancien de Errera et Brasseur[ 19],
divers selsprésenteraient
en fonction de lafréquence,
à latempérature
ordinaire,
uneabsorption
dutype Debye: S04 Cu,
5H2
0; MgPt
(CN)4’
7H20,
etc. Par contre,des
recherches inédites de Meinnel[53]
surS04CU,
5 H2O,
de Ghapelle-Galy [ 11 ],
sur
BaC’2, 2 H2 0; S04 Li2, H2 0; S04Be,
4.Hz 0,
etc.. ne semblent pas montrer d’anomalie
diélectrique
dutype
Debye (1)
pour desfréquences
voisines de ià
10kHz;
mais cesexpériences
sont àreprendre
dans unplus
vastedomaine
defréquences
et detempératures.. ,
l" ’
Cependant,
les recherches sur les aluns sontplus
avancées et ont
permis
à Guillien[35]
de mettre enévidence
de
façon
certaine l’existence d’uneabsor-ption
Debye;
c’est ce que montre lafigure
13qui
groupe pour Fe
,.l’{H4 (SÛ4)2,
12H20,
les données de. Fig. 13.
GUILLIEN : Courbe 1, constante diélectrique e’ de l’alun de fer et d’ammonium fondu, pour la fréquence 4,79. Io5;
Courbe 2 : id. pour la fréquence 69. 200; courbe 3, id. pour la fréquence zéro; courbe 4, absorption électrique - "
pour la fréquence 4,79. I05; 5, id. pour la fréquence 69. 200.
M. FREYMANN : Courbe 6, constante
diélectrique
pour9 56o MHz; courbe 7, absorption pour
g56o MHz.
Guillien
[35],
en ondeskilométriques,
et de l’un de nous[20],
en ondescentimétriques.
Pour
AINHSOs,
12H20,
lareprésentation
Logv,( 1 )
de la figure 5 (2), permet
d’ailleurs derassem-T
(1) Mais Chapelle et Galy ont décelé pour S04Li, H20 une
élévation anormale de la constante diélectrique quand la
température s’abaisse; il y aurait lieu de développer des recherches sur cet intéressant résultat qui toutefois, n’est pas lié, aux problèmes que nous abordons ici.
(2) Sur la figure 5 la courbe a été limitée vers
7’
= o, o I 5 ;bler ces diverses données
expérimentales
et de trouverpour le terme A une valeur assez voisine de celle trouvée pour l’eau
libre,
liquide
ou solide. Bienqu’il puisse
s’agir
d’unesimple
coïncidence,
ceci serait un argu-ment contre l’attribution del’absorption Debye
à laprésence
dugroupement
NH4.
Un autreargument
qui
contribuerait à faire attribuerl’absorption Debye
à la
présence
des molécules d’eau decristallisation,
c’est que Guillien
signale,
uneabsorption
(d’ailleurs
beaucoup
plus
faible(0,02
au lieu de2)]
pour le sulfate double AIK(S04)2,
12H2 0
(qui
ne renferme pasNH4).
L’e f f et°
de ladéshydratation
de sels renfermant del’eau de cristallisation a été examiné par
Kiriyama
et Ibamoto[43]
pourS04CUI
5H20
etS04Ca,
2H20.
La
figure
14 résume leurs résultats : on notera laFig. 4 (d’après Kiriyama et Ibamoto).
montée
brusque
de la constantediélectrique quand
seproduit
ledépart
d’eau.3. Mesures en ondes
kilométriques
et le rôle des traces d’eau dans les sels. - Nous avonsmontré,
par lafigure
11, le rôle de traces de sel dansl’eau
solide;
voyonsmaintenant-(inversement)
le rôlede traces d’eau dans un sel
solide,
problème
qui
vasouligner,
une fois encore, le rôle des défauts de réseau dutype impureté chimique.
Nous traiterons ici cettequestion
bienqu’on pourrait l’apparenter
àl’adsor-ption
dont il seraquestion plus
loin.Nous sommes ici en
présence
de deux résultatsexpérimentaux
contradictoires : pour Guillien[37],
des traces d’eau(c
=o,oo3ii)
sur KCI conduisentà un
phénomène
dutype Debye,
maximum de E"correspondant
à uneinflexion de
s’ ;
c’est ce quemontre la
figure
15 pour lafréquence
13,6
MHz pour KCI(1).
Au
contraire,
pour’Bayley
[5],
lephénomène
n’est pas dutype Debye.
Comme le montre lafigure
17, .pour des traces d’eau
(vide
de la pompe àhuile)
surNaCI,
pour la fréquence
3kHz,
un maximum de s"correspond
à un maximum de E’.elle est rectiligne jusqu’à cette valeur. Mais des mesures de
Guillien, à plus basse température, ont montré une chute
brusque de la courbe vers 6ol K pour
AINH4 (SO 4)2’
I 2 H20 et 85° K pour FeNH4(S04)2, i2,H,0 : il s’agit sans doute depoints de transition de ces aluns [35], voir également 34 ter].
Comme nous l’avons
indiqué
dans unprécédent
article
[32]
où les courbes sontreproduites,
desrecherches effectuées à
Rennes,
entre 5 et 80kHz,
Fig. 15. - Traces d’eau sur KCI
(Guillien).
-Fig. 16. - Traces d’eau
sur NaCI
(Bayley).
sur
U30g [60], Ti02
[17],
N03NH, [53],
etc.s’accor-dent, avec le résultat de
Bayley :
maximum de E"correspondant
à un maximum de E’.Les recherches de
Bayley
[5]
ontapporté
en outre( fig. 16)
un résultatqui
nous semble trèsimportant :
le solide NaCI +H20,
refroidi
au-dessous de - 1050C,
présente
le maximum deE";
il ne leprésente plus
s’ilest
refroidi
au-dessus de - 1050 C. Cette observationdoit être
rapprochée
de celled’Auty
et Cole[2],
relative à laglace
pure, observation que nous avonsrappelée
dans lapremière partie (§
2,
D,
a);
nouspensons
qu’elle jouera
un rôle dans uneinterprétation
desphénomènes
faisant intervenir les défauts de réseau.Nous rappellerons
le fait bien connu suivant : C’est par suite de l’existence de liaisonshydrogène
que l’eau a sonpoint
defusion
à oo C; s’iln’y
avaitpas d’anomalie dans la série
H2 Te, H2 Se, H2 S, H2 0,
le
point
defusion
de l’eau serait voisin de- 1000
C. On comparera cette valeur à celleindiquée
parBayley.
III. -
L’eau liée par
adsorption
sur les solides. Le rôle des traces d’eau dans lessels,
que nousvenons de mettre en
évidence,
estpeut-être
lié auproblème
del’adsorption
sur les solides. Comme nous allons lerappeler, l’absorption
hertzienne constitue unprocédé
de choix pour l’étude del’adsorption.
Lespremiers
travaux sur laquestion
sont ceux deGuil-lien,
en1944
[37]
(eau
fiXée sur la cellulose et surles
sels;
de Girard etAbadie,
en1945 [34] (amidon,
glycogène, gluten plus
ou moinshumides,
à latempé-rature
ordinaire). Rappelons également
lespubli-cations de Mac Intosh et coll.
[51], [51 bis],
de Kur-batov[43IV],
de Kurosaki[43v],
de Palmer et coll.[56].
Mais,
ce n’est que par l’étudesystématique
del’absorption
pour diverses teneurs en eau, en fonction de lafréquence
et de latempérature,
ainsi que parle tracé de la courbe
Log v.
;,)
que des résultats utilisables ont pu êtreacquis.
Les recherches sur cesujet
ont étéparticulièrement
développées
d’unepart,
parAbadie,
Charbonnière,
Gidel, Girard,
Guilbot
[1]
et,
d’autrepart,
à Rennes. Ces derniers travauxayant
étéexposés
précédemn1ent
[32],
nous ne donnerons ici que des résultats nouvellementacquis.
Fig. 17. - Eau sur gel de silice
( 25
pour i oo).
1. Mesures en ondes
kilométriques.
-d’absorption
de la courbeE"( T) :
ces maxima sontsitués par
exemple
à -37
et -97° C pour la fré-quence 5 kHz et un échantillon
particulier
de silice(Actigel)
renfermant 2 1 pour 100 d’eau. Lafigure
17 donne le résultat de mesuresplus
récentes[69]
pourdiverses
fréquences
et pour 25 pour 100 d’eau.(Pour
l’influence de la teneur en eau voir
[32]
et[61]).
Étudiant
l’eau adsorbée surl’amidon,
à -80°C,
Abadie,
Girard et coll.[1]
ont observéégalement
deux
régions d’absorption
de la courbes"(v) :
versi kHz et
o, 3
MHz environ. Lafigure
18 donneFig. 18. - Absorption de l’amidon à divers taux
d’hydra-, tation à t = - 80° C (ABADIE et
coll. [1]; communication
personnelle non
publiée).
’
quelques
résultats de ces auteurs(voir
égale-ment[ 65
bis]).
Tiennot
[69]
avait fait la même étude de l’eau adsorbée surl’amidon,
mesurantl’absorption
enfonction de la
température,
pour diversesfréquences;
ses résultats sont résumés par la courbeLog Vc ( I ) de
lafigure
5. Or on, pourra remarquerque
les données deAbadie,
Girard et coll. tombent defaçon
satis-faisante sur cette courbe(3).
Outrel’amidon,
les auteursprécités [1]
]
ont étudiéégalement
lemaltose [3
et leglucose (lo).
(3)
Nous tenons à remercier MM. Abadie, Charbonnière, Gidel,Girard,
Guilbot de nous avoir communiqué ces résultatsnon publiés.
(lo) Nous tenons à signaler ici la possibilité d’interpréter
le résultat suivant de Abadie, Girard et coll. [1] ’: Le glucose
déshydraté cristallisé présente une absorption hertzienne très
faible, entre et 100 kHz; par contre, l’absorption du glucose
2. Mesures en ondes
centimétriques.
-Comme
il a été
indiqué
par ailleurs[32],
nous avonsobservé,
à 9
56o MHz(3,14 cm),
une forteabsorption
de l’eauadsorbée sur
gel
de silice ou suralumine ;
cetteabsor-ption
présente
un maximum vers latempérature
ordi-naire et ne s’annule pas à o°
C;
elle croît à peuprès
Fig. 1 g. - Des
mesures récentes de Le Bot et Le Montagner
précisent ces résultats (à
paraître).
Fig. 20. - Actigel hydraté
21, 7 pour 100, À - o cm
(Le Bot-Le
Montagner).
linéairement en fonction de la teneur en eau, comme
le montre la
figure.
19(température :
: + 20°C).
déshydraté fondu est assez grande. Nous pensons que l’on peut
expliquer ainsi ce résultat : le glucose cristallisé, présentant peu de défauts de réseau, absorbe peu ; car contre, le produit
déshydraté fondu présente de nombreuses
imperlectiorzs
174
Des mesures inédites de Le Bot et Le
Montagner
"ont étendu ces recherches vers 3 ooo MHz
(fig. 20).
L’absorption
en ondescentimétriques
de l’eau adsorbée sur l’amidon et la bentonite a été décrite parailleurs
[32].
,
I‘
3.
Représentation Log ’le
( 2013 )
des résultatsprécédents. Interprétation.
- Onpouvait
se, demander sil’absorption
que nous avions déceléeen ondes
centimétriques,
vers latempérature
ordi-naire,
était leprolongement
de celle observée à bassetempérature
par Rolland-Bernard. Les mesures de Le Bot et LeMontagner
à 10 etI, 2, 5
cm ont levé le doute à cesujet
[.50] :
Comme le montre lafigure
5l’emploi
de lareprésentation
Logv,
permet
deT
/placer
sur une même droite les diverspoints
expéri-mentaux
(11).
Cette droitecorrespond,
en ondeskilométriques,
à la bande deplus
bassetempérature;
pour l’autrebande,
les mesures sontgênées
par lanécessité de travailler à
température
élevée et par la modification desphénomènes d’adsorption qui
en résulte.On remarquera que la droite
prolongée
pour T
= 0conduit à une valeur de A voisine
due 19 (alors
que l’eau pure,liquide
ou solide donne A = 13 à14):
et cepen-dantl’énergie
d’ajtivation U =12.,5
kcal(déduite
dela
pente
de ladroite)
est voisine de celle de laglace
(U = 13 kcal).
Touteinterprétation théorique
devra rendrecompte
de ces deux faits. Nous pensons que laconception
des défauts de réseaupourra-être
utilisée,
mais de nouvelles données
expérimentales
sont encorenécessaires.
IV. -- Conclusion.
, L’intérêt de ces recherches sur l’eau est double
pratique
etthéorique.
Du
point
de vue desapplications pratiques,
nousrappellerons
quel’absorption (et
laréflexion)
de l’eau(11) Par suite, les courbes relatives à l’eau adsorbée et à l’eau liquide sont nettement distinctes (fig.
5); ï/
a coïnci-dence accidentelle de la région d’absorption (ondes cm) vers latempérature ordinaire.
intéresse les
techniques
Radio etRadar;
rappelons,
outre[11 bis],
les travaux de Saxton-Lane[47], [63],
deCuming [16]
et, d’unefaçon plus générale,
les nombreux travaux d’intérêttechnique
que l’on trouvera dans la collection du M.I.T. sur le Radar.Du
point
de vuephysicochimique,
enrenvoyant
à unepublication
antérieure[32],
nous citerons seulement les diverschamps
d’applications pratiques
possibles
basés sur lapossibilité
dedistinguer
eau libre et eau liée : en chimieminérale, prise
duplâtre
et du
ciment,
état de l’eau dans lesargiles
et les terres[45 bis],
étude desphénomènes d’adsorption
de l’eau et des adsorbants engénéral.
En chimieorganique
et enbiologie :
étude de l’eau fixée sur lacellulose,
humidité des bois(Takeda [68]),
dupapier,
desfarines,
etc.[43 fer], [65 bis], [70 bis];
étude del’eau fixée dans les
végétaux (eau
desplantes
ne secongelant
pas à -200
C);
rôle de l’eau dans les tissusanimaux
(Hasted
et coll.[10], [39];
Cook[15];
Laird[ 44], etc.).
On sait que la distinction entre eaulibre et eau liée constitue pour le
biologiste
unimpor-tant
problème
que lestechniques
classiques
résolventdifficilement;
il y a donc là un vastechamp
de recherches àpeine exploré
actuellement.Du
point
de vuethéorique,
les recherches récentespermettent
doncd’envisager ’ le
problème
de l’eausous un
jour
nouveau : celui des défauts deréseau;
il est certain que cepoint
de vue pourra êtrecritiqué.
On ne saurait nier
cependant qu’il suggère
de nouvelleset nombreuses
expériences (relatives
notamment àl’introduction
d’imperfections chimiques).
Et si cettefaçon
de voir étaitconfirmée,
elle aurait legrand
avantage
defaire
rentrer dans un cadreunique
desphénomènes
en apparence aussidifférents
quel’absor-ption
hertzienne des cristauxioniques,
dessemi-conduc-teurs et de
l’eau,
la théorie des solutionsélectrolytiques
congelées,
la luminescence dessolides,
leproblème
des
semi-conducteurs,
l’absorption infrarouge
de certainssolides,
l’effet
photoélectrique,
lesphénomènes
d’adsor-ption
dans lessolides,
la structure des verres, le méca-nisme de laformation
del’image photographique,
etc. De toutefaçon,
il est incontestable quel’absor-ption
hertzienne pourra désormais être utilementappliquée
à l’examen de ces diversproblèmes,
conjoin-tement avec les méthodes
déjà classiques.
Manuscrit reçu le 12 octobre 1953.
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(voir également LANE).[64] SCHELMANN. 2014 Ph. D. Thesis (Princeton, 1951), cité par AUTY et COLE.
[65] SEITZ F. 2014 Théorie moderne des solides
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[71] WINTSCH H. - Helv.
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Note ajoutée à la correction des épreuves. 2014 Signalons l’in-téressant travail sur l’eau adsorbée de Kan-Ichi Kamiyoshi et Takeshi Odake (J. Chem. Phys., 1953, 21, 1295); les dis-cussions du Colloque de
Marburg-Lahn
d’octobre 1953 etl’important Mémoire de Baruch et Low (Bull. Researth Council