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Chlorures de nickel et de cobalt en solution. Variétés magnétiques. Relations linéaires entre constantes de Curie et points de Curie

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(1)

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Chlorures de nickel et de cobalt en solution. Variétés

magnétiques. Relations linéaires entre constantes de

Curie et points de Curie

G. Foëx

To cite this version:

(2)

LE

JOURNAL

DE

PHYSIQUE

ET

LE RADIUM

CHLORURES

DE NICKEL ET DE COBALT EN SOLUTION.

VARIÉTÉS

MAGNÉTIQUES.

RELATIONS

LINÉAIRES

ENTRE CONSTANTES DE CURIE ET POINTS DE CURIE

Par G.

FOËX.

Sommaire. 2014 M. Fahlenbrach a publié récemment un mémoire sur les moments

magnétiques de diversions de la famille du fer. Faute de connaître les travaux antérieurs

sur les variétés magnétiques, cet auteur n’a pas compris la signification et l’importance

de certains de ses résultats : existence de variétés magnétiques nouvelles; vérifications de la loi linéaire qui rattache 03B8 (point de Curie paramagnétique) à la constante de Curie.

Dans l’article ci-dessous, les faits nouveaux sont mis en évidence et rattachés aux

propriétés déjà connues des ions à variétés multiples.

L’influence déterminante de la concentration initiale des solutions sur l’état

magné-tique est attribuée à une propriété connue des paramagnétiques : la tendance à l’unifor-misation des moments.

SÉRIE VII.

TOME III. AOUT

1932

IN 0 8.

L’existence de variétés

magnétiques

différentes d’un même ion dans des échantillons

paraissant identiques

par ailleurs - même

composition,

même structure ou, en

solution,

même concentration - constitue l’un des

aspects

les

plus

intéressants du

paramagnétisme.

Ces

variétés,

qui

se

distinguent

à la fois par le moment

magnétique

de l’ion et le

point

de Curie

6,

apparaissent

souvent de

façon

tout à fait inattendue sans que l’on sache les

repro-duire ou passer à volonté de l’une à l’autre. Ce côté encore un peu

mystérieux

du

phéno-mène est un élément d’intérêt pour les

recherches, il

en existe un autre du fait que les diverses

variétés

paraissent correspondre

à des structures différentes et

cependant

stables de l’atome.

Dans un travail récent

e) j’ai

donné la liste des variétés

magnétiques

d’un certain nombre

d’ions,

indiqué

les rares méthodes que l’on

possède

pour faire

changer

l’état

magnétique

d’un corps et fait ressortir les caractères fondamentaux du

phénomène.

Deux d’entre eux

paraissent particulièrement

importants :

l’uniformisation de l’état

magnétique

dans toute l’étendue de l’échantillon et la liaison étroite

qui

existe entre 8 et la constante de Curie.

La

plupart

des données contenues dans le travail en

question

et relatives aux variétés

magnétiques,

sont

empruntées

à des travaux effectués soit à

Zurich,

soit à

Strasbourg

sous

la direction de Pierre Weiss et sous la mienne. Les

premières

variétés

magnétiques

nette-ment caractérisées ont été trouvées en 1914 et

depuis

lors les recherches sur cette

question

ont été

poursuivies

de

façon

continue. La liste des travaux

qui

lui ont été consacrés

figure

à la fin de cet article.

Un. important

mémoire

publié

récemment par -,NI. Fahlenbrach

(’1,

contient des don-(1) G. FoËx. J. Phys., 7- s., 2 (1931), 353-375.

(2) Ann, der Physik-, 13 (1932), 26~-296.

LE JOURNAL DE PHYSIQUE ET LE RADIUM. - SÉRIE

VII. -

T. III. - N° 8. - AOUT 1932. 25.

(3)

338

nées nouvelles et fort intéressantes sur les

propriétés magnétiques

des ions Ni et Co dans

les solutions de leurs chlorures.

N’ayant

pas une connaissance suffisante des travaux

antérieurs,

M. Fahlenbrach n’a pas tiré tout le

parti possible

de ses résultats

expérimentaux.

Ne les

ayant

pas rattachés aux

propriétés déjà

connues des

variétés:magnétiques,

il a laissé dans l’ombre

plusieurs

aits

importants

que l’on

peut

en déduire.

L’objet

du

présent

travail est de mettre en

évi-dence ces faits nouveaux et de montrer leur

signification.

.

_

Variétés

magnétiques.

1. Chlorure de nickel en solutions aqueuses. - A. Moment

indépendant

de la concentration. -

En étudiant diverses solutions obtenues par dilution d’une solution mère

concentrée, M.

Fahlenbrach a trouvé pour l’ion Ni" un

moment,

indépendant

de la

concen-tration,

égal

à

14,8

magnétons

avec t ==

+

400. Cet état n’av.ait pas encore été rencontré. En étudiant les variations

thermiques

du coefficient d’aimantation de diverses

solu-tions,

1B111e Bruins

(1),

G. Foëx

(1),

Cabrera et

Dupérier (3)

avaient trouvé de

façon

concor-dante pour

plusieurs

concentrations,

16

magnétons

avec 6 = 0. Ne connaissant que le travail de Cabrera et

Dupérier,

M. Fahlenbrach a attribué à des erreurs

d’expérience, qui

auraient été commises par ces

auteurs,

la différence entre leur résultat et le sien.

En réalité il

s’agit

de tout autre chose : le sel étudié par M. Fahlenbrach constitue une

variété

magnétique

nouvelle.

En

plus

de la variété à 16

magnétons

qui

paraît

être la

plus

commune, on en

connais-sait une à ~7

magnétons (*)

et 0 - - 200. Cette variété a été obtenue en dissolvant un

chlorure

qui,

à l’état

solide, possédait

17

magnétons ;

l’état

magnétique

initial de l’ion s’est donc

simplement

conservé. On

peut

par

simple chauffage

de la solution vers

1000,

faire passer le moment de 17

magnétons

à

16;

la transformation ne

paraît

pas être

instantanée;

elle constitue un

exemple

très net de passage d’une variété à une autre en solution.

B. Moment fonction de la concentration. - M. Fahlenbrach a montré que les

pro-priétés

magnétiques

des solutions de chlorure de nickel et de chlorure de cobalt

dépendent

essentiellement de leur concentration initiale. M. A. Lallemand

(1)

est parvenu en même

temps,

et de

façon

tout à fait

indépendante

aux mêmes conclusions en ce

qui

concerne le chlorure de cobalt.

En

partant

d’une solution mère

concentrée,

restée un

temps

suffisant en contact avec

les

cristaux,

M. Fahlenbrach observe pour l’ion un moment

indépendant

de la dilution. Au

contraire,

en

partant

d’une solution mère peu

concentrée,

préparée rapidement

en

agitant

bien,

il obtient un nouvel état du sel

dissous,

dans

lequel

le moment

augmente

avec la

dilution :

(1) Akad. (t91~), p. 246.

(z) Ann. de Phys., 9~ s., 16 (1921), 224.

(3) J. Phys., 6 (1925), 121.

(4) G. FOËx et 3Iile B. KESSLER. C.

R.,

192 (’1931, 1638.

(5) C. R., 193 (1931), 1323.

(6) Les mesures de 31. Fahlenbrach ne sont pas assez précises en valeur absolue pour que l’on puisse

déduire de ses nombres un argument pour ou contre la valeur entière des moments exprimés en magnétons

(4)

On

dispose

donc d’un

procédé qui permet

de passer d’un moment faible à des moments

plus grands.

On ne sait pas si les moments élevés se conserveraient dans une solution

plus

concentrée obtenue par

évaporation

lente de celle où on les a observés.

Il y a lieu de remarquer que, dans les deux

espèces

de solutions de NiCl-

(moment

constant et moment fonction de la

concentration)

l’état

magnétique

observé dans la solution mère a été le même :

Il est donc très

probable

que le chlorure solide utilisé pour faire les solutions

possédait

aussi le même état

magnétique

et le leur a

imposé.

On connaissait

déjà plusieurs

cas

analogues

où le solide

impose

son moment à l’ion

dissous : Chatillon

(1)

a obtenu l’ion cobalt en solution à 25 et à 26

magnétons

en dissolvant les sulfates

anhydres

de mêmes moments. G. Foëx

et Melte,

B. Kessler

(2)

ont

préparé

des solutions de chlorure de nickel à 17

magnétons

à

partir

d’un sel

hydraté

Cette

persistance

des

propriétés magnétiques

de l’ion en

passant

du cristal dans la

so-lution est

peut-être

simplement

un effet ile la tendance à

l’uni f ormisation

de l’état

magné-tique

dans toute l’étendue de la

substance,

tendance

qui

a

déjà

été

signalée

à

plusieurs

reprises

(3).

On

peut

très bien

imaginer

que l’uniformisation se

produise

entre solution et cristal

lorsque

l’on dissout le sel

lentement,

en le laissant en contact

prolongé

avec la

solution,

de

manière que

l’équilibre puisse

s’établir. Le moment de l’ion serait alors le même dans la solution que dans le cristal.

L’expériencG

montre

qu’une

dilution ultérieure ne modifie

plus

le moment.

Dans le cas où l’on dissout

rapidement,

en

agitant énergiquement,

il se

peut

que

l’uni-formisation n’arrive

plus

à se

produire

et que l’on aboutisse alors à un état variable avec

la

concentration,

qui

serait l’état normal de l’ion dissous

lorsqu’il ne

se met pas en

équilibre

avec le cristal.

Il y a là une amorce

d’explication

des faits rencontrés par M. Fahlenbrach et M. Lalle-mand : les

propriétés

de l’ion dissous seraient différentes selon que l’uniformisation des

états

magnétiques

entre solution et cristal a pu ou bien n’a pu se

produire.

Quoi

qu’il

en

soit,

il est bien

probable

que les différences des

propriétés magnétiques

observées dans les diverses solutions à moment constant

préexistent

dans le chlorure solide.

L’origine

de ces différences est tout à fait inconnue. On

peut

se demander s’il ne

serait pas

possible

de les

reproduire

en faisant cristalliser lentement des solutions de moments différents. La tendance à l’uniformisation

pourrait

alors

jouer

en sens

inverse,

la

solution

imposant

son moment au sel.

II. Chlorure de cobalt. - M. Fahlenbrach a eu à sa

disposition

deux échantillons de chlorure solide à

partir

desquels

il a obtenu des solutions de

propriétés

entièrement dif-férentes.

L’un des deux

(CoCP a)

fournit

uniquement

des solutions à moment variable entre

~0,8

magnétons

(fortes

concentrations)

et

32,8.

L’autre

(Co

C12

b)

permet

d’obtenir à volonté le moment

indépendant

de la concentration ou le moment variable.

(1) Ann. de Phys., 9 (1.928),187.

(2) C. R., 192 (~93~), 1638.

(5)

340

Il

s’agit

évidemment de deux variétés

magnétiques distinctes,

mais ce

rapprochement

n’a pas été fait par l’auteur.

Au

sujet

de

l’origine

des différences entre les

propriétés

des variétés a et b un

ren-seignement

de

quelque

intérêt a été donné par le fournisseur : les deux échantillons ont été

préparés

à

partir

de matières

premières

différentes par des

procédés

différents. Cela

permet

de faire deux

hypothèses

distinctes sur

l’origine

des différences.

Les deux variétés de

solutions,

dunt il a été

question plus

haut, prennent

aux fortes concentrations le même moment limite de

20,8

magnétons.

Chatillon a observé un moment

très

différent,

égal

à 25

magnétons.

Il est difficile de

juger

si cela tient à la manière de faire les solutions ou à l’existence d’une troisième variété

qui

aurait été rencontrée par

Chatillon et par Lallemand dans le

chlorure,

par G. Foëx dans l’azotate de cobalt dissous. III. Solutions

alcooliques

de chlorure de cobalt. -

Alors que Chatillon trouvait pour le sel

anhydre

dissous dans l’alcool

éthylique

un moment

égal

à 23

magnétons,

M. Fahlenbrach a

observé,

dans le même

solvant,

un moment

indépendant

de la

concen-tration et

égal

à 19.

Il a

invoqué

deux raisons pour

expliquer

cel,te différence : -. 1° Chatillon n’a pas tenu

compte

des variations du

diamagnétisme

du solvant avec la

température;

2° les

procédés

de

déshydratation

du chlorure sont différents dans les deux travaux : calcination à l’air chez

Chatillon,

déshydratation

dans un courant de gaz

chlorhydrique

chez M. Fahlenbrach. La

première

de ces deux

raisons pourrait expliquer

au

plus une

différence de

0,2

magné-tons. La deuxième est

plus plausible,

un traitement

chimique

pouvant

agir

assez fortement

sur l’état

magnétique.

Mais il est

plus probable

que les deux auteurs ont

simplement

fait leurs solutions à

partir

de variétés

magnétiques

différentes : -. les solutions

alcooliques

des deux auteurs

présentent

en effet des différences de même sens que leurs solutions aqueuses. De

plus,

dans les deux cas, la

grandeur

de la différence entre les moments est la même :

Il serait intéressant cle savoir si les variétés a et b de chlorure de cobalt

posséclent

à l’état solide et en solution

éthylique

des

propriétés différentes,

comme en solution

aqueuse.

Relation

linéaire entre 0 et la constante de

Curie.

Lorsqu’il

existe

plusieurs

variétés d’un même corps, les différents 0 sont reliés aux

constantes de Curie

correspondantes

par une loi linéaire

(1).

Cette relation n’a été vérifiée

jusqu’ici

que pour le sulfate ferreux ammoniacal en solutions aqueuses

(2),

le

platine

métallique

et,

dans un domaine moins

étendu,

pour les sulfates de cobalt

anhydres

de

Ml’e Serres

(a).

(t) PAULB COLLET et G. FoËx. J. Phys., le s., 2 (1931), 290-308.

(2) G. FoËx. Ann. de

Phys.,

9e s., 16 (192f),

(8) Ann. de

Phys.,

10- s., 17 (1932), 5-94.

(6)

On

peut

tirer des résultats de M. Fahlenbrach deux nouvelles et excellentes vérifica- ~

tions de cette loi.

~I. Chlorure de nickel. - Dans la

figure

1,

les abscisses sont les carrés des nombres de

magnétons

trouvés par M.

Fahlenbrach,

elles sont donc

proportionnelles

aux constantes

de Curie. Les ordonnées sont les valeurs de 0.

Fig. I.

II. Chlorure de cobalt. - Un raisonnement

géométrique simple

rllontr j que, s’il

1

existe

unelrelation

linéaire entr,, 0 et

C,

toutes les droites de Weiss en -

correspon-X dant aux différents états

magnétiques,

doivent se couper en un même

point.

Fig. 2.

La

figure

2,

empruntée

au mémoire de M.

Fahlenbrach,

montre

qu’il

en est bien ainsi

(7)

342

"

L’autre

représentation géométrique (0

en fonction de

G)

permet

de trouver avec exacti-tude la

température

correspondant

au

point

d’intersection des droites. On trouve :

269°K pour le chlorure de

cobalt ;

246°K pour le chlorure de

nickel ;

364°K pour le sulfate ferreux ammoniacal de G. Foëx.

Moment dominant et

point

6. - Dans les trois cas où la loi linéaire a été vérifiée

pour des

solutions,

on

peut

remarquer que le moment dominant de l’ion est celui

qui

correspond

à 8 _-_ 0 en solution.

On déduit en effet des relations linéaires

indiquées plus

haut :

Ces nombres sont très voisins des moments dominants admis :

16 ; 26, 5

et 25.

L’état le

plus

stable de l’ion serait

d’après

cela,

l’état dans

lequel

le

champ

moléculaire est nul..

Comparaison

avec les théories existantes. - Les formules

théoriques

donnant

la valeur du moment en fonction des nombres

quantiques

sont

nombreuses,

les variétés

magnétiques

d’un ion ne le sont pas moins. Dans la

quantité,

on trouvera

toujours quelques

concordances

numériques.

Il

n’y

a pas lieu

d’y

attacher

grande importance.

Ce

qui

paraît

au contraire très

frappant,

c’est

qu’aucune

théorie ne rende

compte

des caractères

généraux

et fondamentaux des

phénomènes.

Aucune

explication

satisfaisante n’a été donnée

jusqu’ici

des faits suivants :

1° Existence d’un

point

de Curie

0,

souvent

élevé,

dans les solutions étendues. On ne

sait absolument rien sur la

signification

de cette constante Q de la loi de Weiss. Il résulte

des

expériences

de M. Fahlenbrach que, dans les solutions à moment

variable,

elle

paraît

croître indéfiniment avec la dilution. L’état limite aux très faibles concentrations serait

alors le

paramagnétisme

constant.

Dans le

platine métallique,

ce même

paragnétisme indépendant

de la

température

paraît

être l’état limite dans les

champs

très faibles.

Ce passage

progressif

du

paramagnétisme

variable au

paramagnétisme indépendant

de la

température,

sans

qu’il

en résulte une courbure

progressive

de la droite de

Weiss,

c’est-à-dire sans

superposition

des deux

phénomènes,

est totalement

inexpliqué.

‘~° Existence de diverses variétés

magnétiques

dans des échantillons

différents,

bien

définis par

ailleurs, ayant

en

particulier

même

composition

et même structure.

30 Liaison entre e et le moment. Cette

liaison,

qui

se manifeste de

façon

évidente dans le

phénomène

des droites

coudées,

se traduit dans les résultats de M. Fahlenbrach par la

relation linéaire entre 0 et

C, qui

a été mise en évidence

plus

haut.

Une relation de même

type

était connue antérieurement pour le sulfate ferreux

ammo-niacal et pour le

platine.

4° Tendance à l’uniformisation de l’état

magnétique

dans toute l’étendue d’un

échan-tillon. Cette tendance a été

signalée

d’abord par Pierre

Weiss(’),

et mise en évidence

plusieurs

fois

depuis (2).

(J) J.

Phys.,

5e s., i (1911), 964.

(8)

Les observations de 1VT. Fahlenbrach la confirment en ce sens que toutes les solutions

étudiées suivent la loi de

Noleiss, malgré

la

grande

multiplicité

des états

possibles.

Aucune

de ces solutions ne se

comporte

comme un

mélange

de deux variétés

magnétiques

à

points

6

différents. Pour un tel

mélange,

la

représentation

des inverses ne donnerait pas une droite. Cela

exige qu’il

y

ait,

pour tous les ions contenus dans

l’échantillon,

une seule et

même valeur de

0,

Comme 9 est lié au

moment,

il faut aussi que le moment soit le même pour tous les

ions.

De nouvelles

expériences

sont en cours en vue d’établir solidement et de bien

préciser

ces différents

points.

Travaux

effectués

à

Zurich

et à

Strasbourg

sur les variétés

magnétiques.

Recherches sur le

paramagnétisme. -

G. Foëx. Afin. due

Phys.,

9e s., i6

(1921),

174-305. - Résultats

principaux :

Chapitre

II. - 1° Les solutions

peuvent

suivre la loi de Weiss X

(T -

6~ ~ C avec des valeurs différentes de zéro. Pour l’une des solutions

0 = - 57°.

2D Pour un même sel dissous

(sulfate

ferreux

ammoniacal)

les états

magnétiques

suivants ont été obtenus :

3° Il existe une relation définie entre 0 et le moment.

Chapitre

III. - Existence

probable

de variétés

magnétiques

diverses du

platine.

Chapitre

IV. - Droites coudées. Existence

probable

de variétés diverses du nickel

métallique.

Les mesures sur les solutions ont été faites en

1914 ~

la

publication

des résultats a été retardée par la guerre.

Les coefficients d’aimantation des sels de

cobalt

en solution aqueuse.

-A.

Trümpler.

Thèse Zurich

(1917).

- C’est au cours de ce

travail que les deux états des sels de cobalt : coefficient d’aimantation variable avec la concentration et coefficient

cons-tant,

ont été découvertes. o

Remarque

sur la liaison entre moment

atomique

et

champ

moléculaire. -G. Foëx. Bull. Soc.

française

de

Phys. (1923),

3 S.,

188. - Certains sels

peuvent

présenter plusieurs

variétés

qui

ont la même

composition

mais

qui

diffèrent par leurs

propriétés magnétiques.

Les

divers

états

magnétiques

d’un ion. - G. Foëx. C.

R.,

180

(.I9),

919.

-Existence de variétés

magnétiques

diverses de l’ion Fe" dans le sulfate ferreux

ammo-niacal cristallisé et de

l’ion

Co" dans le sulfate.

Sur un nouvel état

magnétique

de l’ion Co°. - Mlle A. Serres. C.

R.,181

(1925),

714.

-

Préparation

d’une nouvelle variété de sulfate de cobalt

anhydre

possédant

26

magnétons.

Recherches sur les différents états

magnétiques

de l’ion cobalteux. - A. Chatillon.

Thèse, Strasbourg

(1927)

et Ann. de

Phys.,

9

(1928),

187-260. - L’auteur a trouvé

plusieurs

procédés permettant

de transformer une variété

magnétique

en une autre :

calci-nation,

dissolution dans divers solvants et surtout cristallisation.

The différent

magnetic

states of an ion. - G. Foëx. Trans. Amer. Electrochem.

Soc.,

55

(1929),

97

(Congrès

de

Toronto).

Etats

magnétiques

du

platine.

- Paule Collet et G. Foëx. C.

(9)

344

Influence du

champ

sur les états

magnétiques

du

platine.

- Paule Collet et G. Foëx.

C.

R.,

i92

(1931),

t~~3..

Recherches

sur les moments

atomiques. -

A. Serres. Thèse

Strasbourg

(1931)

et de

Phys.,

17

(193’2),

1-93. - Influence de la structure sur l’état

magnétique ;

influence des atomes

voisins;

influence de la fusion aqueuse. Nouveaux états

magnétiques

de l’ion cobalteux.

Etats

magnétiques

divers de l’ion nickel dans les solutions de chlorure. - G. Foëx

et Mlle B. Kessler.

C. R., 192

(1931),

1638.

Propriétés magnétiques

da

platine.

Différentes variétés. Influence du

champ.

Passage

d’un état à un autre. - Paule Collet et G. Foëx. J. de

Phys.,

ï

s.,

2

(193 i),

290-308.

Variations du moment

atomique

chez les

paramagnétiques.

Etats

magnétiques

et

variétés diverses d’un même ion. - G. Foëx. J. de

Phys.,

7e s., 2

( 1931),

353-3 î5.

Préparation

de

deux

types

de solutions aqueuses de sels cobalteux. Etude de leur état

magnétique

en fonction de la dilution. - A. Lallemand. 6.

R,, 193 (1931),

i3~3.

Travaux

effectués

dans d’autres

laboratoires.

Influence du solvant sur le coefficient d’aimantation des sels dissous.

-Quartaroli.

Gazetta chimica

Italiana,

4fi

(1916),

371. - Ce travail a servi de

point

de

départ

aux recherches de Chatillon sur les solutions

alcooliques.

Il ne contient que des

mesures à une seule

température.

Influence de la fusion aqueuse sur l’état

magnétique. -

L.-A. Welo. Nature

London,

124(1929), 575.

Sur la variabilité du moment

magnétique

de

quelques

ions de la famille du fer.

-H. Fahlenbrach. Communication

préliminaire

à la D.

Phys.

Ges. à Giessen le 0-12-1931 et Ann. der

Physik,

5e s., ’I3

(193 --», ~!65-9-96.

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