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Submitted on 1 Jan 1904
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Cohésion diélectrique des mélanges
E. Bouty
To cite this version:
E. Bouty. Cohésion diélectrique des mélanges. J. Phys. Theor. Appl., 1904, 3 (1), pp.593-606.
�10.1051/jphystap:019040030059300�. �jpa-00240930�
COHÉSION DIÉLECTRIQUE DES MÉLANGES (1) ;
Par M. E. BOUTY
(Suite).
CHAPITRE IV.
COHÉSION DIÉLECTRIQUE DES MÉLANGES D’ARGON.
50. La détermination de la cohésion diélectrique de l’argon pur s’est
trouvée entourée de beaucoup de difficultés. Les conclusions aux-
quelles j’ai été conduit ressortiront mieux en rapportant les princi- pales expériences dans l’ordre même où j’ai été conduit à les exécuter.
51. Gràce à l’obligeance de MM. Moissan et Rigaut (2), j’ai pu
disposer de quantités d’argon assez importantes. Ce gaz avait été
préparé par la méthode indiquée par MM. Moissan et Rigaut (3), et
transvasé directement de l’appareil de production dans un ballon où j’avais fait le vide de Crookes. Voici les résultats :
XX. - Argon non soumis au refroidissement préalable.
(1) Voir ce vol. p. 489.
(2) Je tiens à adresser tous mes remerciements à MM. Moissan et Rigaut pour leur inépuisable complaisance.
(3) Voir Comptes Rendus de l’Académie des Sciences, t. CXXXVII, p. 773 ; 1903.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphystap:019040030059300
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52. On est tout d’abord frappé de la petitesse des champs critiques.
Tandis qu’avec l’hydrogène la force électromotrice de ma batterie
ne m’avait pas permis de dépasser la pression de 11 centimètres envi- ron, ici, avec le même appareil et dans des conditions identiques,
nous réalisons les mesures j’usqu’à 31 centimètres. L’argon oppose donc au passage de l’effluve un obstacle beaucoup moins grand que les gaz étudiés jusqu’ici.
Dès 1896, MM. Ramsay et Collie (2) avaient en effet annoncé que, pour une différence de potentiel donnée, l’étincelle est plus longue
dans l’argon que dans l’hydrogène, et davantage encore dans l’hélium ; mais les nombres qu’ils fournissent pour l’hydrogène et l’argon ne peuvent faire prévoir l’écart énorme manifesté ici.
Les nombres de la troisième colonne ont été calculés par la for- mule :
Elle indique une cohésion diélectrique égale à 67, c’est-à-dire envi-
ron trois fois plus faible que celle de l’hydrogène.
53. Désireux de savoir si l’indépendance de la cohésion diélectrique
par rapport à la température était aussi complète avec l’argon qu’avec
les gaz communs, je répétai des expériences soit de chauffe soit de refroidissement par l’air liquide dans des conditions identiques à
celles de mes expériences antérieures (3). Voici les résultats :
(1) Pour des pressions comprises entre ces deux nombres, l’effluve est si pâle
que les mesures ne comportent aucune précision.
(2) RAMSAY et COLLIE, Proceed. of the Royal Sociely, t. LIX, p. 257. Les longueurs
d’étincelles données par les auteurs sont les suivantes :
(3) Voir J. de l’hys., 4° série, t. Ili, p. 12 ; 1904.
XXI. - Ballon de crisf al n° 2. Pression à 17°, 22cm,56.
. Au-dessus de 0, le champ critique à volume constant est bien
indépendant de la température.
XXII.
-Ballon de verre. Pression à 1 7°, 22cm,47.
r est le rapport des champs critiques à basse température à la
moyenne des champs critiques dans l’intervalle où ils paraissent inva-
riables.
XXIII.
-Ballon de verre. Pression à 17°, 26cm,13.
XXIV. - Ballon de verre. Pression à 17°, 13cm,99.
(1; Températures seulement repérées.
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54. Si l’on construit une courbe en prenant pour abscisses les
températures, pour ordonnées les rapports r, on obtient deux por- tions de droite horizontales raccordées par une droite inclinée. La
fig. 1 réunit les résultats des tableaux XXII et XXIII, relatifs à deux pressions assez voisines. La fig. 2 se rapporte au tableau XXIV.
FIG. 1.
FiG. 2.
On voit qu’à partir d’une température voisine de
-20°, le champ critique à volume constant décroît à peu près linéairement, puis se
fixe à une valeur beaucoup plus faible, atteinte à partir de - 50°
ou de
-60°.
55. Dans ces expériences je fus vivement frappé par une modification
remarquable des lueurs d’effluve, modification qui commençait à se
produire précisément à la température pour laquelle le champ critique
commençait à baisser. D’une couleur mal définie, d’apparence blafarde,
les lueurs passaient progressivement au blanc bleuté, en devenant
de plus en plus vives.
56. En quoi consiste la modification subie par le gaz dans ces conditions ?
Deux interprétations se présentaient à l’esprit : la première con-
siste à supposer qu’il existe deux variétés d’argon, l’une stable au-
dessus de
-20°, l’autre au-dessous de - 60, ; mais on peut aussi ima-
giner, plus simplement, qu’à partir de
-20" l’argon employé laisse déposer un produit de condensation dont la tension de vapeur devient très faible au-dessous de - 60° .
Dans la première hypothèse, il y a lieu de supposer que l’argon,
en se transformant dans sa variété stable à basse température, aug- mente de densité dans un rapport simple. Dans la seconde hypothèse,
la densité doit diminuer, mais dans un rapport quelconque.
57. Pour savoir ce qu’il en est, je disposai un tube manométrique
de faible capacité, en relation avec le ballon échauffé ou refroidi.
Considérons l’intervalle de température dans lequel le gaz n’est pas modifié. Si le volume du tube manométrique était négligeable par
rapport à celui du ballon, la pression p devrait demeurer proportion-
nelle à la température absolue T déduite de l’observation d’un ther- momètre à mercure ou à toluène en contact avec le ballon. En réa- lité il y a, en dehors de l’étuve, dans le col du ballon, un petit espace dans lequel la température varie d’une manière continue, puis le tube manométrique lui-même qui est à la température extérieure. Le
quotient T de la température absolue par la pression se trouve
exactement représenté par une formule 1 ’ ) telle que :
le rapport b a des deux constantes étant d’ailleurs très petit.
58. J’ai trouvé que la formule empirique (2)
-dont les constantes avaient été déterminées par des expériences de
(1) On arrive aisément à cette expression par voie théorique.
(2) Pression évaluée en centimètres de mercure.
598
+ 131 à + 120°, représentait, avec la même exactitude, les expériences
de
-7° à
-68°, sans qu’aucune perturbation appréciable manifestât
une variation de densité dans l’intervalle critique oa les propriétés diélectriques et émissives de l’argon subissent une altération si remar-.
quable.
Il faut donc admettre que, s’il y a une variation de densité, elle
est assez petite pour être masquée par les erreurs d’expérience ; elle
ne peut guère être supérieure à 1 100.
59. Ainsi, d’une part, l’existence de deux variétés de l’argon est
rendue très improbable ; de l’autre, l’impureté, si elle existe, ne peut constituer qu’une très faihle partie de la masse gazeuse en expé-
rience.
60. J’essayai de condenser l’impureté, en dehors de l’appareil de
mesure, dans un petit serpentin refroidi par de l’air liquide. Je ne
piis voir aucune gontte de liquide dans le serpentin, mais le gaz recueillie dans le ballon jouissait, dès la température ordinaire, de la
faible cohésion diélectrique qu’il n’avait auparavant qu’aux très
basses températures.
D’ailleurs les effluves avaient pris l’éclat et la teinte bleutée remar-
qués antérieurement au-dessous de
-601.
61. Il restait à caractériser chimiquement l’impureté capable de produire de telles modifications. A ma demande, M. Moissan voulut bien refroidir dans l’air liquide tout ce qu’il possédait de cet argon.
Il recueillit dans le tube à condensation une seule goutte d’un liquide alcalin, trop peu importante pour permettre une analyse quantita-
tive.
62. Examiné dans un tube de Plïiclier, le gaz non purifié présen- tait, outre les raies connues de l’argon, les raies caractéristiques de l’hydrogène ; et on distinguait, comme un voile léger tendu sur le spectre de l’argon, les principales bandes de l’azote. Ainsi l’impureté
consistait sans doute en une simple trace d’ammoniaque.
63. Pour manifester la grandeur de la variation des cliamps cri- tiques due à cette impureté, je donne dans les deux tableaux suivants la série des nouvelles observations. Le tableau XXV se rapporte au
gaz purifié par son refroidissement dans l’air liquide.
XXV. 2013 Argon purifié par re froidisserraent dans l’air liquide.
Les nombres de la troisième colonne ont été calculés par la for- mule (27) de l’argon non purifié ; ceux de la cinquième colonne par la formule :
La cohésion diélectrique correspondante 39 n’est que les 0,58 de la cohésion de l’argon non purifié.
64. Le tableau XXVI se rapporte au même argon, conservé pen- dant quinze jours en dehors de l’appareil au contact d’acide sulfurique
pur :
XXVI. - Argon purifié par re froiclissement dans l’air liquide
et par un contact prolongé avec l’acide sulfurique.
Les nombres de la troisième colonne ont été calculés par la for-
600
mule linéaire (’ ) :
ceux de la cinquième colonne par la formule
La courbe (28 his) et la droite (29) se coupent. Le point d’intersec- tion correspond à peu près à la pression de 16 centimètres.
65. La discontinuité manifestée par ces formules correspondrait-
elle à une impureté introduite accidentellement dans l’appareil au
cours des mesures ? Je n’ai aucun motif de le supposer.
Un tube de Plücker, en communication avec l’appareil de mesure, peut être excité par une bobine de Ruhmkorff, et permet de suivre les variations du spectre de l’argon avec la pression. On sait que, vers la
pression due 4 à 5 millimètres, ce spectre présente une série de lignes
rouges moins réfrangibles que celle de l’hydrogène et considérées
comme tout à fait carac1éris1iques. Or ces raies étaient tout à fait invisibles dans le spectre, cependant très brillant, correspondant aux pressions de 32 et de 22 centimètres. Tout l’espace en deçà dé la raie
rouge de l’hydrogène demeurait complètement obscur. A la pression
de 16cm,9, on commence à distinguer à peine la plus brillante des
raies rouges de l’argon ; son éclat augmente peu à peu aux pressions plus basses, puis apparaissent successivement toutes les autres
lignes brillantes du même groupe, dont l’importance relative, par
rapport aux lignes très brillantes dans le vert, le bleu et le violet,
s’accuse de plus en plus.
Il est tout au moins curieux que le changement d’allure des champs critiques coïncide précisément avec celui des raies spectrales.
J’ignore quels résultats fournirait l’argon à un état de pureté abso-
lument rigoureuse. Il est probable que sa cohésion diélectrique est
encore inférieure à 30. Pour ce corps, la sensibilité des mesures élec-
triques, par rapport à la moindre trace d’impureté, paraît équivaloir
à celle de la réaction spectrale.
(1) :Malheureusement la quantité de cet argon dont je disposais ne m’a pas per-
mis d’atteindre des pressions supérieures à 32cm,3. Si, comme il est vraisemblable,
la formule linéaire continue à s’appliquer à des pressions plus hautes, ma bat-
terie m’aurait permis de poursuivre la mesure des champs critiques jusqu’à la
pression de 60 centimètres environ.
66. Il restait à employer les échantillons d’argon plus ou moins impurs que je possédais encore à l’étude de l’effet produit par l’addi- tion d’une quantité connue de gaz étranger.
Je signalerai d’abord des expériences pour lesquelles j’avais employé comme matière première l’argon non purifié formule (21)].
XXVII. - Mélange d’argon impur et d’hydrogène : b6,77 0/0 d’hydrogène.
L’écart des nombres observés et déterminés par le calcul de moyenne est tout à fait énorme.
Les nombres de la cinquième colonne ont été calculés en supposant
que le mélange ne contient qne 6,5 0/0 d’argon au lieu de 49,23. La
cohésion diélectrique correspondante est 196 au lieu de 137 donné par
le calcul de moyenne. Le mélange de volumes égaux d’hydrogène et d’argon se comporte donc, au point de vue de sa cohésion diélectrique,
presque comme de l’hydrogène pur (cohésion 205).
XXVIII. -1Blélange d’argon impur et d’ hydrogène: 21,29 0/0 d’hydrogène.
Les nombres de la cinquième colonne ont été calculés en suppo- sant que le mélange contient 71,8 d’hydrogène au lieu de 21,29.
Cohésion diélectrique, 16G,1 au lieu de 96,4.
602
XXIX. - Mélanqe d’argon impur et d’hydrogène : 9,83 0/0 d’hydrogène.
Les nombres de la cinquième colonne ont été calculés d’après la
loi des moyennes, en supposant que le gaz renferme 58 0/0 d’hy- drogène au lieu de 9,83 0/0. Cohésion diélectrique, 146,6 au lieu de 80,6.
67. Ce dernier mélange d’hydrogène et d’argon fut soumis à des
expériences de refroidissement dans l’air liquide. Voici le résultat d’une des séries de mesures :
XXX. - Mélange d’argon irnpur et d’hydrogène: 9,83 0/0 d’hydrogène.
Pression à 17% 13,;)80.
La condensation de l’impureté produit un abaissement du champ critique encore sensible, d’environ 6,4 0/0.
Dans les mêmes conditions, l’argon non mêlé d’hydrogène présen-
tait un abaissement d’environ 40 0/0. L’effet de l’impureté conden-
sable est donc fortement réduit par la présence de l’hydrogène. De
même, l’effet de 1 0/0 d’un gaz étranger quelconque, tel que l’acide
carbonique ou l’hydrogène, diminue rapidement à mesure que la quantité de gaz étranger déjà présent est plus considérable.
68. J’ai aussi étudié divers mélanges du même argon impur et
d’azote atmosphérique. Il suffira de citer en détail les résultats rela- tifs aux deux mélanges extrêmes.
(1) Température seulement repérée.
XXXI. - Mélange d’argon impur et d’azote atmosphérique : 4,02 0/0 d’azote.
La cinquième colonne est calculée, en supposantla loi des moyennes exacte, avec une proportion fictive d’azote de 11,87 0/0 au lieu de
4,92 (rapport 2,41).
XXXII. 2013 Mélange d’argon impur et d’azote atmosphérique : 79,78 0/0 d’azote.
La cinquième colonne a été calculée pour une proportion d’azote
fictive de 84 0/0, relativement peu différente de la proportion réelle,
79,78 [ou 160/0 d’argon au lieu de 20,28 (rapport 1,27)]. Cohésion diélectrique, 401,3 au lieu de 383,2.
69. Ainsi un peu d’azote altère beaucoup les champs critiques
relatifs à l’argon ; un cinquième d’argon altère peu les champs cri- tiques de l’azote. C’est le même fait que nous avons reconnu pour
l’hydrogène mêlé à l’argon. Or on sait depuis longtemps que très peu d’hydrogène ou d’azote dans l’argon fait apparaître les lignes de
ces gaz dans le spectre, tandis qu’il faut beaucoup plus d’argon dans l’Ilydrogène ou dans l’azote pour qu’on puisse reconnaître ce gaz
spectroscopiquement (’ ) .
70. Un argon plus pur, ayant donné la formule :
applicable aux pressions supérieures à quelques centimètres, a servi
à former plusieurs mélanges avec de l’acide carbonique.
RAMSAY et COLLIE, 10C. cit.
604
XXXIII. - Mélange d’argon et d’acide carbonique.
Pnoportion d’acide carbonique, 0,63 0/0.
Bien que la proportion d’acide carbonique ajoutée à l’argon dé-
passe à peine i 12 0/0, l’écart de la loi des moyennes est énorme,
comme le montre la colonne 4.
Les nombres de la cinquième colonne ont été calculés par la for- mule linéaire :
La cohésion diélectrique est passée de 44 à 79,5, c’est-à-dire s’est
accrue dans un rapport égal à 1,807. La proportion fictive d’acide car-
bonique que supposerait un tel accroissement, si la Ioi des moyennes était exacte, serait donnée par la formule :
au lieu de 0,63 0/0.
70. Aux pressions élevées, un tube de Plücker, en communication
avec l’appareil, montre d’une manière non douteuse les principales
bandes de l’acide carbonique, comme un voile léger à travers lequel apparaît le spectre de l’argon. D’ailleurs toute la région bleue et
violette est assez profondément modifiée. En particulier, deux beaux
groupes de raies bleues assez rapprochées, dont les centres sont res-
pectivement vers 47003BC et 45503BC, sont très affaiblis ; le dernier est presque indistinct. La lumière émise, d’un joli blanc bleuté pour l’argon
pur, a sensiblement viré vers la teinte blafarde de l’acide carbo-
nique. Ainsi, à une variation considérable de la cohésion diélec-
trique, correspond une altération extrêmement sensible du spectre dans un sens tel que, de part et d’autre, l’influence de l’acide carbo-
nique semble hors de proportion avec la quantité réelle de ce gaz
mêlée à l’argon.
71. Au mélange précédent on a rajouté de l’acide carbonique en quantité plus notable et obtenu les résultats suivants :
XXXIV. - Mélange d’argon et d’acide carbonique: 17,1 0/0 d’acide carbonique.
Les nombres de la troisième colonne ont été calculés par la for- mule linéaire :
La proportion fictive d’acide carbonique qui justifierait une cohé-
sion diélectrique égale à 147 serait 27,56 0/0 au lieu de 17,1 0/0.
En ce qui concerne le spectre, j’observe qu’aux hautes pressions
presque toutes les lignes de l’argon ont disparu. A des pressions beau-
coup plus basses, le spectre de l’argon est peu apparent par rapport
aux bandes de l’acide carbonique, principalement dans la région des
deux groupes bleus. On ne commence à distinguer vaguement ceux-
ci qu’à partir de la pression due 2 millimètres.
72. Cette étude nous amène donc à établi)- une relation élroite entre la cohrfsion diélectrique, d’une part, et la nature du spectre, de l’autre.
Quand l’un des gaz mêlés manifeste une influence visiblement pré- pondérante au point de vue spectral, ce même gaz domine aussi pour
imposer sa constante diélectrique. La valeur de la cohésion, calculée d’après la loi des moyennes, se trouve supérieure oa inférieure à la valeur réelle, suivant que le gaz prépondérant, au point de vue spectral, aura la cohésion la plus faible ou la plus forte.
Il y aurait évidemment intérêt à poursuivre une étude comparative
des spectres d’effluve et des cohésions, en vue de préciser davantage
la relation qui paraît exister entre ces deux éléments physiques.
73. On sait combien l’argon paraît jusqu’ici réfractaire aux actions
chimiques. Si les variations considérables de son spectre et de sa
cohésion diélectrique, en présence de traces de gaz étrangers, ne
correspondent pas à la production de composés définis de l’argon,
quelle en est donc la cause? Ne faut-il pas aller la chercher dans la
structure même de l’atome? Les atomes des gaz mêlés se comportant
606
sans doute les uns par rapport aux autres à la façon de résonateurs
complexes, suivant des lois qui nous sont encore inconnues.
74. Comment la théorie des ions, jusqu’ici si féconde en ressources,
.
