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Étude thermomagnétique des systémes argent-cadmium
et cuivre-cadmium
Nicolas Perakis, Léandre Capatos
To cite this version:
ÉTUDE
THERMOMAGNÉTIQUE
DESSYSTÉMES
ARGENT-CADMIUM ETCUIVRE-CADMIUM
Par NICOLAS PERAKIS et LÉANDRE CAPATOS. Laboratoire de
Physique
de l’Université deSalonique.
Sommaire. 2014 Le cadmium divalent est diamagnétique. Son diamagnétisme atomique, tiré de l’étude du persulfate de cadmium tétrapyridiné, S2O8 (CdII 4C5 H5 N), est : ~A = - 15. 0.10-6.
L’étude thermomganétique des complexes S2O8 (AgxCdy4C5H5N) et S2O8 (CuxCdy4C5H5N) nous a
donné les résultats suivants :
Entre la température ordinaire et celle de l’air liquide - intervalle de température exploré 2014 ces
complexes suivent la loi de Weiss, du moins dans un très large intervalle de concentration. Nous avons
observé de fréquents déplacements du point de Curie avec les mélanges très pauvres en cuivre et en argent,
surtout avec ces derniers.
Les courbes (Moment-Concentration) et (Point de Curie-Concentration), presque de même forme, ont même allure dans les deux systèmes :
Avec les mélanges riches en cuivre et en argen t (jusqu’à 50 pour 100 environ), le moment varie peu avec
la concentration : il augmente de 0,3 magnéton dans le cas de l’ion Ag IIet diminue d’à peu près autant dans le cas de l’ion CuII, les moments de ces deux ions à l’état libre étant respectivement 9,11 et 9,78.
L’égalisation des moments des ions AgII et CuII doit être attribué au phénomène de la dissolution qui,
d’ailleurs, agit aussi sur certains ions diamagnétiques.
Dans les solutions plus diluées, l’argent et le cuivre seraient à l’état trivalent : à partir d’une certaine
dilution, le moment augmente brusquement et tend, pour l’argent du moins, vers 14 magnétons (2,83
magné-tons de Bohr), moment théorique des ions AgIII et CuIII.
Pour les très grandes dilutions, l’argent et le cuivre ont un paramagnétisme constant très fort : ~Ag = + 1.242 10-6,
~Cu = + 1.595 10-6.
En résumé, l’argent et le cuivre dissous dans le cadmium se comportent tout à fait de la même manière.
1. Introduction. - Nous avons fait récemment
(1)
une étude
thermomagnétique
dusystème
(Argent-divalent - Cuivre
divalent)
sous forme decomplexe
deformule :
SW
où x
et y
varient entre 0 et 1. On aura, pour x =0,
le sel de cuivre pur,
et,
pour y ~ u, le seld’argent
pur.Ces sels
mixtes, préparés
pour lapremière
fois par Barbieri(1),
sont despersulfates d’argent
et de cuivretétrapyridinés.
Le cuivre etl’argent
y sont à l’étatdivalent.
Les ions et
A g~
sont desparamagnétiques
àchamp
moléculaire. On a, dans l’intervalle (tempéra-ture ordinaire -température
de l’airliquide)
dumoins,
pour et pour et
Ces deux
moments,
bien quevoisins,
ne sont paslégaux :
En
plus,
ilssont,
l’un etl’autre,
nettementsupé-rieurs au moment
8,57
ou1,73,
suivant que l’ons’ex-prime
unmagnétons de Weiss
ou en unités deBohr,
prévu
par la théorie pour letype
’d’ionsauquel
corres-pondent,
par laconfiguration électronique
de leurs couchesexternes,
les ions Cul, etAgll.
Malgré
la similitude de structurequi
peut
exister entre ces deuxions,
leurcomportement
magnéto
chi-mique
vis-à-vis l’un de l’autre n’est passimple,
ainsique nous l’a montré l’étude du
système
Parsuite,
il nous a paru intéressant de dédoubler cesys-tème,
en associant chacun des ionsAgI’
et Cul, à unmême ion
diamagnétique,
au cadmium parexemple.
Les résultats de l’étude
thermomagnétique
dessys-tèmes
AgIr --CdlI
et Cuzi-Cd« serontexposés
dans les pagesqui
vont suivre.Ici encore, les
complexes
étudiés sont du mêmetype
que lecomplexe
ci-dessus : SWC:5H5N],
pour le
système argent-cadmium,
et S208[CuxCdY
4-C5H5NJ
pour lesystème
cuivre-cadmium.Ces
complexes
ont étépréparés
etanalysés
parnous. Ils sont stables à la
température ordinaire,
maistrop fragiles
poursupporter,
sansaltération,
destem-pératures
sensiblemementplus
élevées que latempé-rature ordinaire. Aussi leur étude
thermique
a-t-elle été limitée auxtempératures
inférieures à celle-ci.L’intervalle de
température
exploré comprend
lescinq températures
suivantes :température
ordinaire,
température
de solidification del’eau, température
d’ébullition du chlorure deméthyle, température
dumélange
(CO2 +
acétone)
ettempérature
de l’airliquide.
Pour les mesurPsmagnétiques,
nous avons utilisé laméthode d’attraction dans un
champ
non uniforme. Nous avonspris
l’eau comme substance étalon(*).
Cadmium
divalent.
Le cadmium
appartient
à la deuxième colonne dutableau périodique.
Son nombreatomique
est 48. Dans la notationhabituelle,
laconfiguration électronique
des couches externes du cadmiumsera
représentée
par 5
s2,
ses couches internesayant
laconfiguration
électronique
dupalladium.
Le cadmiuin
métallique
estdiamagnétique
(3) :
= -
18,77.10-6.
L’ion
Cde,
à 46électrons,
doit êtrediamagnétique,
la couche 4 dayant
10 électrons.2. Persulfate de cadmium
tétrapyridiné :
S’O’C5H5N]
=620,7.
- Cettesubstance,
préparée
selon Barbieri et Calzolari
(1),
seprésente
sous formede beaux cristaux blancs de densité
1,7
environ(**).
(") Pour plus de détails, voir notre mémoire sur le cuivre et l’argent divalents (loc. cil.).(’*) .C’est par flottement dans un mélange de chloroforme et
d’iodure de méthylène que nous avons obtenu cette valeur qui
est bien plus le résultat d’une estimation que d’une véritable détermination. Il en est de même de tautes les densités mesurées
au cours de ce travail.l’outefois,la précision avec J aquelle ces densi-tés sont connues est suffisante pour le calcul de la susceptibilité.
Elle est
diamagnétique,
ainsiqu’en témoigne
le[ta-bleau I : .
TABLEAU 1.
Le
diamagnétisme
du reste de la molécule étant(*)
-
~6~,3.10-~,
l’on a pour lediamagnétisme
de l’ion Cd,, :/cdii== 201315,0.10-6.
Cette valeur
se
confond avec la valeur--1~, ~ . ~.0-6,
trouvée par Hollens et
Spencer (**) (loc. cit.),
pour le(*) La correction du diamagnétisme du reste de la molécule a
été faite selon 1H mode indiqué dans notre mémoire sur le
sys-tème Cult - AgII (lnc. cil.).
(*°) Ces auteurs ont mesuré, à la température ordinaire, la susceptibilités d’une trentaine de composés du cadmium.
31
TABLEAU II
(suite).
diamagnétisme
de l’ioncadmium,
àpartir
del’oxy-quinoléate
de cadmium : Cd H’0.Dans ce dernier corps, comme dans le
persulfate
de cadmiumtétrapyridiné,
le cadmium serait à l’état tétracoordonné.Système Agll -
Cd~~.3. - Les sels mixtes étudiés ici
(5)
ont pour for-mule :où x
et y
varient entre 0 et 1.On les
prépare
enajoutant
à une solution aqueusede nitrate
d’argent
et de sulfate de cadmium, conte-nant 12 molécules depyridine,
quantité
correspondant
à unmélange équimoléculaire
des deuxsels,
une solu-tion depersulfate
depotassium
à 11 1
pour 100. 0~~ filtre le sel mixteformé,
on lave à l’eau et on sèchedans le vide sur SOIH-.
Les cristaux obtenus ont une couleur
qui
passe dujaune pâle
àl’orangé,
à mesure que la teneur enargent
augmente.
Nous avons fait une étude
thermomagnétique
d’un certain nombre de ces combinaisonsmixtes,
dont les résultats sontconsignés
dans le tableau II.La
représentation
habituelle1,
T)
appliquée
à ces/
résultats
(*)
conduit auxgraphiques
de lafigure
1. Cesgraphiques
sont des droites tout au moins dans l’inter-valle de concentration(x = 0,2 1, x
=1)
où l’onpeut
(*) Voici la signification des symboles du tablf au ci dessus : T = température ea degrés absolus, X - coeffirh’nt d’aimanta-tion de la substance, yar = coefficient d’aimantation molécu-laire de la substance, Zi = coefficient d’aimantation rapporté
à un atome d’argent, 6 = point de Curie, CA = constante
de Curie atomique, - moment en magnétons de weiss, PB = moment en magnétons de Bohr.
dire que
l’argent
à l’état de SW[Agxcdv 1
suit la loi deWeiss,
avec laprécision
quecomportent
cesexpériences.
Le
tronçonnement
des droites relatives aux solu-tions x =0,15,
x =0,19
et x =0,20
est dû à desdé-placements
dupoint
deCurie,
observés surtout auxbasses
températures,
nonaccompagnés
engénéral
dechangements
notables de la constante de Curie.De tels
déplacements
dupoint
de Curie ontdéjà
été observés par de nombreux auteurs et aussi par l’un denous avec certains
composés
du vanadium(6).
Cette instabilité
magnétique
et la faible variationde z
avec latempérature
ont rendu les mesures trèspénibles
et en ont limité considérablement laprécision.
Les moments trouvés pour l’ionAgl-
àpartir
de cestrois
mélanges
doivent être considérésplutôt
commedes ordres de
grandeur
que comme des valeursprécises.
D’ailleurs,
ces moments, nous les avons calculés àpartir
de la loi de Weiss.Or,
dans l’intervalle de concentration(x
==0,15,
x =0,20),
lespoints
de Curie sontnégatifs
et relativementélevés,
de l’ordre de -2001, les
extrapolations
considérables et d’autant moins sûres que les droitesextrapolées
sont courtesou insufisamment
jalonnées
depoints.
Dans cescondi-tions,
les droites trouvéespourraient
bien n’être que des apparences.4.
Diamagnétisme
du reste de la molécule.- Dans les
complexes
étudiésici,
le reste de lamolé-cule,
soit5208 [CdY iC3H3N],
estdiamagnétique.
La correction àapporter,
pourchaque
valeur de x, à lasusceptibilité
moléculaire du sel pour endégager
leparamagnétisme
de l’ionAge,
nous l’avons faited’après
la formulerespecti-vement les
diamagnétismes
de(S201
+
4 et de l’ion cadmium(voir § 2).
5.
Interprétation
des résultats. - En solutiontrès étendue dans le cadmium
(.z j 0,0 1),
l’ionAgn
pos-sède unparamagnétisme indépendant
de latempé-rature très
grand.
En solution
plus
concentrée,
pour0, 15
~ ~ ~ 0,27,
on a un
paramagnétisme
variable,
trèsprobablement
un
paramagnétisme
deWeiss,
du moins dans l’intervalle(x
=0,~ t, x
= o,~ ï)
où l’instabilitémagné-tique
signalée plus
haut ne se faitguère
sentir.Entre x =
0,15
et x =0,27,
le moment de l’ionAgi’
varie trèsrapidement
avec laconcentration;
de l’ordre de 12 à i3magnétons
pour x =0,15,
il n’estplus
que de9,6
magnétons
pour x =(0,24
-0,27).
Fig. 2.
Dans l’intervalle
(0,21 ~ 0, 7),
x L
1]
oü
l’ona un
paramagnétisme
deWeiss,
le moment de l’ionAglt
varie très peu avec la concentration, Ilaugl1lente
légè-rement,
puisque
sa valeur moyenne estsupérieure
de0,3
magnéton
à celle trouvée pour.x = 1.On
peut
admettre que, dans cet intervalle aumoins,
les ions
Ag°
et Cdn forment des cristaux mixtes. Les variationsrespectives
du moment et dupoint
de Curie avec la concentration sontreprésentées
par les courbes de lafigure
2. La courbe des moments(1)
rappelle
dans son allure la courbe despoints
de Curie(11),
du moins entre x #0,15
et .x = 1. Une foisde
plus,
l’interdépendance
de la constante et dupoint
de Curie est mise en évidence. Elle estcependant plus
complète
dans le cas dusystème AgTI -
Cul,(loc.
cit.).
Chacun desgraphiques
I et II estcomposé
de deux courbes se rencontrant aux environs de x =(0,22
-~
0,2.4).
En
première approximation,
les deux courbes dugraphique
(moment-concentration)
peuvent
êlre assi-milées à deux droites peuinclinées,
l’une sur l’axe desconcentrations,
l’autre sur l’axe des moments.Cette dernière
droite, extrapolée,
eûtdonnée,
(0,08
-~0,09),
un moment voisin de 14ma-gnétons.
Tout cepasserait
alors comme si cette droite traduisait la mise horsjeu progressive,
bien querapide,
d’un électron.Cette mise hors
jeu
d’unélectron,
si elle étaitréelle,
eût conduit à l’ion
auquel, normalement,
il faudrait attribuer laconfiguration
électronique
dupalladium
divalent. Mais il aété vérifié(7)
que l’ion Pclil,avec ses 8 électrons
extérieurs,
a un moment nul. Laconfiguration électronique
del’ionNie,
auquel l’ion Agl«
est aussi
apparenté,
mais à undégré
moindre,
eût mieux convenu : le nickel divalent estparamagnétique
et son moment estcompris
entre14,6
et1 j,4
magné-tons(~).
Cette dernière
configuration
étantaiissi
celle du cuivre trivalent, nous serionsamenés,
en dernierlieu,
à identifier l’ion
Agtli
à l’ion Cette identificationparaît
d’autantplus acceptable
que nous l’avonsdéjà
admise pour les ions
Agl1
et CuH.Si l’on
supposait
que le passage du moment de 9 à 14magnétons
était effectué avec mise enjeu
d’unevalence,
il faudrait admettre que dans l’intervalle de concentrationun
équilibre
s’établitrapidement
entre lesphases
Age!
et =(0,0x
-0,09)
où le moment est voisin de 1 imagnétons,
laphase
aurait sonmaximum de densité et le
mélange
se trouverait salure d’uncomposé
d’argent
trivalent, probablement
instable. Lepoint [x
=(0,08
->0,09),
=14]
devra,t êtreconsidéré dans ce cas comme un maximum de la courbe des moments.
Ce
maximum,
étant le résultat d’uneextrapolation,
est évidemment
hypothétique.
Nous ferons remarquercependant
que A. A.Noyes,
K. Pitzer et C. Dunn ontété,
euxaussi,
conduits récemment(9)
a admettrecomme
possible
l’existence de ce momentmagné-tons.
D’ailleurs,
il est un fait connu que les solutionsargentiques
acides additionnées d’eauprécipitent
descomposés
oùl’argent
est trivalent. Il semble que la dilution ait le même effet sur les solutionsargentiques
dans le cadmium.A
partir
de x -(0,08
~0,09)
le moment devrait décroîtrerapidement
pour s’annuler à mêmetemps
que x oumême avant,
puisque,
pour ,x =0,U4 en viron,
l’argent
a unparamagnétisme indépendant
de latem-pérature : yA =1. ~~~
X 10-u.Ce
paramagnétisme
constant esttrop
fort p~~ur être attribué à une déformation des orbites. Onpourrait,
avecNéel,
supposer unarrangement
antiparallèle
desmoments,
cequi
reviendrait à grouper les ionsdeux à deux et à
admettre, entre x 1
0,04
et .1’=
(0,08
31
TABLEAU III
(suite).
C’est un
équilibre
de ce genrequi
doit s’établir dansl’intervalle
Système
Cu’2013Cd"6. - Les sels mixtes étudiés ici ont
pour formule :
où x
et y
varient entre 0 et t.On les
prépare
enajoutant
à une solution aqueusede sulfates de cuivre et de cadmium contenant 9 ~
molé-cules de
pyridine,
quantité
correspondant
à unmélange
équimoléculaire
des deuxsels,
une solution concentrée depersulfate
d’ammonium(2 mol.).
On filtre le sel mixteformé,
on lave à l’eau et on sèche dans le vide sur S0’H2.Les cristaux obtenus sont d’autant
plus
fins que la concentration en cuivre estplus
faible. Leur couleur varie du bleupâle
au bleufoncé,
à mesure que la teneur en cuivreaugmente.
Nous avons fait une étude
thermomagnétique
d’uncertain nombre de ces combinaisons mixtes. Les résul-tats obtenus sont
consignés
dans le tableau III.7.
Interprétation
des résultats. - Les résultats35
par les
graphiques
de lafigure
3et,
dans lesplans
(Moment-Concentration)et(Point
deCurie-Concentration), respectivement
par les courbes 1 et II de lafigure
4.A l’état de
complexe
le cuivre suit la loi de
Weiss,
du moins entre x; ~ 1 et~==0,5~,
ou, si l’onexprime
les concentrations enpoids,
entreXP - 1
et~p =
0,38.
Dans tout cet intervalle ou presque, le
moment de Cul, varie peu avec la
concen-tration. Il dinlÙlue
légèrement, puisque
sa valeur moyenne,
entre xp
C
etxp
=0,51,
est inférieure de0,4
magnéton
à celle trouvée
pour-
~ 1.’
On
peut
admettre que, dans cet inter-valle aumoins,
les ions Cun et CdlIformentdes cristaux mixtes.
L’accroissement
brusque
que subit le moment de l’ion Cuil aux environs dexp
=0,40
sembleindiquer
que, commedans le cas de l’ion on se trouve au
seuil d’un
équilibre rapidement
établi,
avec mise en
jeu
d’unevalence,
qui
con-duirait à un sommet où l’on
aurait,
avecle moment de l’ion un
composé
de cuivre trivalent.Une association de la forme
(Cd:3Cu2)
estprévue
par la courbe de fusibilité dusystème
cadmium-cuivreaux environs
de
==03.
Fig. 4.
Le maximum de la courbe des moments
pourrait
bien seplacer
dans levoisinage
de cetteconcentration,
àlaquelle
semblent conduire lapartie
de la courbe desFig. 3.
’
moments relative à
(ip
=0,45,
xP,
=0,38)
et cellecor-respondant
aux solutionstrès
diluées
Tp
-0,11
et.x
=0,08.
Avec
ces deuxmélanges
très pauvres en cuivre(.1J
=0,175
et .x ==0,13)
(*),
nous avons observé uneinstabilité
magnétique
du même genre que celle obser-vée avec lesmélanges
pauvres enargent,
mais bienmoins
marquée.
Peut-être cela tient-il à ce quel’asso-ciation
(cadmium-argent
trivalent)
qui
peut
corres-pondre
au moment 14 del’argent
-association que la
courbe de fusibilité
(1°)
dusystème
Cd-Ag
n’a pas révélée(**)
- serait instable(~**).
Pour
~~p
7 0,0~,
on a, comme avecl’argent,
unpara-magnétisme indépendant
de latempérature
trèsfort,
lA = 1.595 X10-6,
qui,
interprété
dans le cadre dela théorie de
Néel,
eût conduit àl’équilibre
rapide-ment établi :(’) Les x expriment les concentrations en molécules et les xp en poids. Pour le système Agii -
CdII, on a pratiquement x - xp.
~*~) Toutefois, pour x =z 0,22, là où la courbe des moments
change brusquement de direction, la courbe de fusibilité s’écarte,
en s’incurvant, nettement de la droite avec laquelle on peut
la confondre, en première approximation, dans tout l’intervalle
(x --_- 1, .r=:0,22).
(*°*) Ce composé correspondrait à la concentration x == (0,08 2013~ O,tIJ), pour laquelle le moment de l’argent atteint 14
magné-tons. Pour cette valeur de x, il y a dans le mélange 10 à 11 atomes de cadmium pour 1 atome d’argent, soit 21 valences
en moyenne si le cadmium est divalent. L’argent se trouverait ainsi avoir le momen t et la configuration électronique de l’ion
Niiiy ou celle de l’ion Cuür, obtenue à partir de l’ion Agü par une
mise hors jeu(fictive)de 19 électrons, effectivement par une mise
hors jeu d’un seul électron. Une association de la forme [(CdII)iO,5t
En
résumé,
vis-à-vis ducadmium,
l’argent
et le cuivre secomportent
tout à fait de la même manière.Leurs courbes des
moments,
et aussi leurs courbes despoints
deCurie,
ont mêmealluf.e
et si elles ont deslacunes,
jusqu’à
un certainpoint,
elles secomplètent
mutuellement,
puisqu’en
général
les lacunes ne sont pas les mêmes dans les deux courbes.Nous essaicrons toutefois de
compléter
l’étude dusystème Cu«-Cdil,
dansl’espoir
de déterminer avecprécision
le moment de l’ionCUIII, qui
nousparai
bienplus
accessible que celui de l’ionAgtil,
du moins dans letype
decomplexe
étudié ici.8. Influence de la dissolution sur le
parama-gnétisme
des ionsAg«
et Cuu. - Nous venons devoir que, dans un
large
intervalle deconcentration,
le moment de l’ion Cul, dintiîiue
légèrement.
Il enest de même de son
point
de Curie.Avec
l’argent,
aussi à l’état SWon avait
trouvé,
aucontraire,
uneaugJJtcntation
du moment et dupoint
de Curie.Ainsi,
lorsque
del’argent
est dissous dans lecad-mium,
il seproduit
une exaltation du moment et dupoint
de Curie de l’iondissous,
alors que c’estl’in-verse
qui
arrive,
lorsque,
dans les mêmesproportions,
du cuivre est dissous dans le cadmium.Naturellement,
il ne
s’agit
ici que demélanges
relativement riches enargent
ou en cuivre.Il semble donc que le
phénomène
de la dissolution provoque, suivant les cas, une AUGMBNTATION ou une DIMINUTION duparaiîiagnétisme
variable de l’ion dissous.On sait
(Hocart) qu’il agit
aussi sur lediamagné-tisme de certains ions.
Ce
qui
rend ces deux cascomparables,
c’est que ladissolution n’affecte pas seulement le moment et le
point
de Curie de l’iondissous,
mais aussi sasuscep-tibilité
qui,
comme le moment et lepoint
deCurie,
augmente
légèrement
dans le cas de l’ionAgü
et diminue d’à peuprès
autant dans le cas de l’ion Cul.Le tableau IV résume cette discussion :
TABLEAU IV.
On devrait
attribuer
auphénomène
de la dissolu-tion cespetites
variations duparamagnétisme
des ions Gui! etAgi~,
car l’intervalle de concentration considéréest,
d’après
les courbes de fusibilité et aussi lescour-bes des moments des
systèmes
cuivre-cadmium etar.gent-cadmium,
un intervalle de très bonnemisci-bilité. ,
9.
Remarque. -
Nousvenons
de voir(tableau
que les moments des ions
AgIT
et Cu’° à l’état dissous tendent vers une même valeur(*) :
(9,36 ~- 9,33)
magnétons.
Il en résultequ’on peut,
dans unlarge
intervalle de
concentration,
rernplacer
dans le cad-mium le cuivre parl’argent,
eti)tvei,sement,
sans quepratiquement
le moment dumélange change.
C’est làune preuve de la
parenté
trèsproche
des structures des ions Cul, etAgi’,
qui
vient aussi appuyerl’hypo-thèse que nous avons faite
plus
haut en assimilantl’ion
AgIll
à l’ion CUIlI.Toutefois,
l’étudethermomagnétique
dusystème
Cul,-Agi,
(loc.
cit.)
nous a montré que les ionsCun
etAgn,
malgré
leur similitude destructure,
ne secomportent
pas, l’un vis-à-vis de
l’autre,
de manièresimple.
(*) Cette légalisation des moments des ions AgII et Cul’ estaccompagnée d’un renversement de leur point de Curie (voir tableau IV). On ne peut attacher de l’importance à ce
renverse-ment, sachant combien en général un point de Curie est
chan-geant.
Manuscrit reçu le 20 septembre 1937.
BIBLIOGRAPHIE
(1) N. PERAKIS et L. CAPATOS. J. Physique, 1936, série VII, t. 7, pp. 391-400. Voir aussi : C. R., 1936, 202, p. 1773.
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avril 1935, p. 495.
(4) G. A. BARBIERI et F. CALZOLARI. Z. f. Anorg. Chem., 1911, 71,
pp. 347-355.
(5) N. PERAKIS et L. CAPATOS. C. R., 1937, 204, p. 1799.
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(7) JONES, J. Amer. Chem. Soc., 1935, 57, p. 472.
(8) JAKSON : voir B. CABRERA. « L’étude expérimentale du
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