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Submitted on 1 Jan 1903
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Sur la silice fondue et l’anhydride borique fondu
.A. Dufour
To cite this version:
.A. Dufour. Sur la silice fondue et l’anhydride borique fondu. J. Phys. Theor. Appl., 1903, 2 (1),
pp.498-507. �10.1051/jphystap:019030020049801�. �jpa-00240786�
498
server une définition expérimentale du coefficient de Poisson qui ne représente plus rien et qui implique une variation continue? J’espère
que cet article contribuera à rendre classique en France la définition
de Rôntgen qui date d’une trentaine d’années.
-SUR LA SILICE FONDUE ET L’ANHYDRIDE BORIQUE FONDU;
Par M. A. DUFOUR(1).
Dans des recherches de spectroscopie, j’ai été conduit à utiliser
des substances vitreuses, aussi transparentes et aussi diélectriques
que le verre ordinaire, mais ayant une constitution chimique mieux
définie. Parmi ces substances, deux m’ont paru assez faciles à tra- vailler : la silice et l’anhydride borique. La silice fondue m’a permis
d’avoir des tubes de Geissler d’un emploi commode et sûr; j’ai eu
avec l’anhydride borique des tubes exempts de silice. J’exposerai plus tard les recherches dans lesquelles ces tubes m’ont servi; je
veux s implementindiquer iczi comment l’un peut construire, au labo- rato ire, des tubes et des ampoules de chacune de ces deux matières ; je dirai aussi quelques mots des propriétés les plus intéressantes
de la silice fondue.
1.
-TRAVAIL DE LA SILICE FONDUE.
’
ffistorique.
--Gaudin (1), en 1839, a fondu le quartz pour la première
fois en se servant du chalumeau oxhydrique. Il a constaté que le quartz fondu était pâteux et qu’on pouvait facilement l’étirer en fils.
Si l’on fait tomber dans de l’eau froide des gouttes de silice fondue,
elles ne se fendillent pas ; les perles obtenues sont très dures, et, contrairement à ce qui arrive pour le verre soumis au même traite- ment, elles ne présentent ni trempe ni biréfringence.
M. Armand Gautier (3) a fabriqué, en 1869, des petits tubes de
formes diverses, en silice fondue, et les a montrés à l’Exposition uni-
verselle de 18 78. Dans ces dernières années, avec l’aide de M. Moissan,
(1) Communication faite à la Société française de Phy sique ; Séance du
20 mars 1003.
(’) C. R., t . Ylll, p. 618 et 711.
(3) C. R., t. CXXX, p. 816.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphystap:019030020049801
499 il a essayé, sans grand succès, d’obtenir des objets plus volumi-
neux, par coulée au four électrique.
En 1887, Boys (1) mit en relief les précieuses qualités des fils de
quartz employés comme fils de suspension.
Dernièrement, 1B1. Sllenstone (2) a repris la fabrication des tubes par une méthode légèrement différente de celle que j’avais donnée
en ~ 900 (~~ .
Description du chalunzeau eJnployé.
~--La température de fusion
du quartz est supérieure à celle du platine ; on l’obtient à l’aide d’un
chalumeau alimenté par de l’oxygène et par de l’hydrogène ou du
,gaz d’éclairage.
Les tubes à robinets qui amènent les deux gaz se prolongent par deux tubes concentriques en caoutchouc ; l’oxygène passe dans le tube
central, l’autre gaz dans l’espace annulaire. Ces deux tubes viennent déboucher dans un troisième en métal, où se fait le mélange. La par- tie de ce tube voisine de la flamme doit être en cuivre rouge, à défaut de platine; l’orifice de sortie a un diamètre de 2 à 3 milli- mètres.
La flamme du chalumeau, alimentée par du gaz d’éclairage et de l’oxygène, ressemble à celle d’un bec Bunsen ; le cône bleu intérieur est d’autant plus petit que la quantité d’oxygène est plus grande. Si l’oxygène est en trop grand excès, la zone de combustion rétrograde
dans le bec du chalumeau, et il se produit une petite explosion limi-
tée à l’espace où les gaz sont mélangés ; cette explosion n’est jamais dangereuse.
Pour un même débit de gaz d’éclairage, la température de la
flamme croît avec la quantité d’oxygène, la température la plus éle-
vée étant à la pointe du cône bleu intérieur. C’est à cet endroit qu’il
faut mettre les petits fragments de quartz que l’on veut fondre.
Fabrication d’une baguette.
-On prend du quartz transparent et
bien pur. Si l’on porte, à l’aide d’une pince, un petit morceau de
ce quartz dans la flamme du chalumeau, il éclate aussitôt et plus
rien ne reste dans la pince. On remédie u cet inconvénient en
« étonnant » le quartz, au préalable. A cet effet, on le chauffe au
rouge blanc dans un creuset de terre, puis on le plonge brusque-
ment dans de l’eau distillée. Le quartz se fendille; on obtient ainsi (1) Pltilosophical t. J, p. !~89; 1887.
t. LX1V, p. 65.
(3) C. R., t. CXXX, p. 173 et 1753.
500
un corps blanc, très friable, ressemblant à de la porcelaine; on peut alors le chauffer brutalement sans qu’il éclate.
Ce quartz étonné est réduit en fragments de quelques millimètres de côté ; à l’aide d’une pince, l’un d’eux est porté dans la flamme, au
sommet du cône bleu ; avec une autre pince, on saisit un deuxième fragment de quartz et on le colle au premier, dans la flamme. On en
soude ainsi plusieurs à la suite les uns des autres; le tout est fondu, puis étiré légèrement de façon à constituer une baguette de silice
sensiblement cylindrique. Le quartz étant très lumineux au moment de sa fusion, il est bon de se protéger les yeux par des lunettes noires.
Pour que la baguette contienne le moins possible de bulles d’air,
il faut fondre les fragments de quartz toujours du même côté, de
manière que la zone fondue gagne peu à peu, sans jamais englober
la partie non fondue.
Cette fabrication est très fastidieuse; il faut, en effet, une heure
pour faire 4 à 5 baguettes de 30 centimètres de longueur et 2 milli- mètres de diamètre. C’est avec ces baguettes que l’on fabrique les fils
et les tubes.
Fabrication des de silice fondue on fils de quartz.
-Le pro- cédé dont je me sers pour obtenir une grande quantité de fils de
quartz, d’un diamètre supérieur à 0,-,0010 environ, consiste à
enrouler sur une poulie le fil qui s’étire d’une baguette de silice,
dont une extrémité est maintenue en fusion à l’aide du chalumeau.
Pour réaliser cette préparation, on commence par fixer dans un trou fait sur la circonférence de la poulie un fragment de baguette ; on y soude l’extrémité d’une autre baguette un peu grosse, et, quand l’en-
droit de la soudure est bien fondu, on met la poulie en rotation, en
maintenant l’extrémité du cône bleu de la flamme sur la partie qui s’étire ; il vaut mieux que ce cône bleu lèche la baguette du côté qui regarde la poulie. On obtient ainsi un fil très long et de diamètre constant sur une grande longueur, mais relativement assez gros.
Les fils très fins, ayant de O,cmOOOl à O,00’.10, s’obtiennent par un autre moyen. Je rappelle le procédé de l’arbalète, imaginé par
Boys; il est excellent pour avoir des fils très longs et très fins. Mais,
la plupart du temps, on a besoin de fils ayant au plus 30 à 40 centi-
mètres de longueur. Il est alors beaucoup plus commode de les faire par le procédé Threlfall.
Une baguette de silice est amincie en un point, puis coupée dans
501 la flamme. En recollant ensemble ces deux parties, puis les séparant
dans la flamme, il se produit un fil qui est étiré et entraîné par le courant de gaz chaud. On obtient un fil à chaque opération, et, pour recueillir les fils ainsi produits, il suffit de placer au-dessus du cha- lumeau une feuille de carton horizontale, garnie d’épingles, où les
fils viennent s’accrocher (~).
Ces fils très fins sont assez difficiles à saisir. Pour rendre cette
opération plus commode, M. Blein opère de la façon suivante : après avoir amené le milieu de la baguette à l’état de fil assez gros, il le
porte dans la flamme rendue un peu molle en diminuant la quantité d’oxygène ; le fil devient plastique, il s’incurve, et, au moment où il s’élève en l’air, M. Blein retire les deux morceaux de baguette ; le fil
très fin qui s’est produit reste attaché à l’un d’eux.
ft"1abrication d’un tube en silice fondue.
-Pour faire un tube, j’en-
roule une baguette, dans la flamme, de manière à constituer une
hélice dont les spires se touchent. Quand cette opération est bien faite, il ne reste aucun trou dans la paroi du tube ; s’il en reste, on
les bouche dans la flamme avec l’extrémité d’une baguette. J-4e tube
ainsi obtenu n’est qu’ébauché ; il a une extrémité ouverte, l’autre est
fermée.
On fond alors, de proche en proche, la paroi du tube, et l’on souffle à la bouche, à l’aide d’un tube de caoutchouc, de manière à régula-
riser l’épaisseur de cette paroi, et à donner au tube une forme cylin- drique ; on l’amène au diamètre voulu en le gonflant ou en l’étirant.
Les tubes d’un diamètre inférieur à une dizaine de millimètres se
coupent très facilement, comme les tubes de verre, avec un couteau à verre bien aiguisé. Pour les tubes d’un diamètre plus grand, sur-
tout s’ils sont minces, il vaut mieux affaiblir beaucoup, à l’aide de la
flamme, en soufllant légèrement, la paroi sur tout le pourtour du tube, à l’endroit où on veut le couper ; puis, en donnant de légers
coups sur cette partie mince, avec le couteau à verre, on la fait
sauter.
Il est très facile de faire sur ces tubes des soudures en T, des
soudures intérieures, etc. ; le même tube peut être retouché indéfi- niment. Aucune habileté n’est nécessaire dans ce travail ; contraire-
ment à ce qui arrive pour la construction des appareils en verre, tout
(1) On trouvera dans 7hrelf’a.ll [Oit lab01YlloJ’Y 1898 (chez )lac IB1iHan,
London)t un expose très coml)let de la fabrication de ces fil et tous les rensei-
gnements concernant leur manipulation (p. 196 à 22f~j .
502
le monde est capable de faire, sans aucun apprentissage, un objet en
silice fondue, de quelque forme qu’il soit.
En revanche, il faut une patience considérable pour faire un vase d’un volume assez grand. Je citerai, à ce propos, l’ampoule construite
par 1B1. Chappuis, au Bureau International des Poids et Mesures, qui
est probablement la plus grosse pièce en silice qu’on ait obtenue par cette méthode. C’est un réservoir de thermomètre à gaz, destiné à des recherches sur les hautes températures, mesurant 5 à 6 centi- mètres de diamètre sur 22 centimètres de long, terminé par des calottes hémisphériques, et prolongé d’un côté par un tube capillaire
de 30 centimètres de longueur environ.
Le prix de revient de ces tubes est assez élevé, à cause du prix de l’oxygène. En me servant d’un chalumeau qui consomme de 80 à
100 litres d’oxygène à l’heure, j’ai trouvé que 1 gramme de silice
fondue, à l’état de tube terminé, revenait à 65 centimes environ (’ ).
Il.
-PROPRIÉTÉS ET APPLICATIONS DE LA SILICE FONDUE.
,Je rappelle d’abord les valeurs moyennes des principales cons-
tantes mécaniques de la silice fondue (2) :
’
-Dilatation.
-La silice fondue a un coefficient de dilatation très
petit, d’environ 5 à 10-7 entre 0 et 1000B Sa dilatation est très régu-
lière jusqu’à 10000; elle diminue rapidement à partir de cette tempé-
( 1 La maison Ileraus, à Hanau, associée avec la . maison Siebert et Kuhn, a Cassel, fabrique des ballons et des matras en silice fondue. Le volume de ces vases est de 30 centimètres cubes environ, leur diamètre d’à peu près 3 centi- mètres, et leur prix varie entre 20 et 30 marks. Elekt/’och., t. XL YI,
p. 861, 13 noNren>b1-e 1902.)
(2) Phil. Jlag., ~.890 : 2, Boys, p. t 16 ; - Threlfall, p. 99.
(3) Voir la définition de ce coefficient dans Yiolle, t. l, ’1 rc partie,
p. 380.
(4) C’est l’inverse du coefficient de compressibilité cubique : voir Violle, Phy-
t. l, 1,, partie, p. 396 et 426.
(~) Appelé « par les auteurs anglais : voir Violle, t. I.
1 r° partie, p. !r0 r.
503
rature, pour devenir nulle, et se changer en contraction vers 12001, la silice présenterait donc un minimum de densité à 1200° 1’ ).
La silice fondue se dilate, par conséquent, de quinze à vingt fois
moins que le verre ordinaire. On peut montrer cette différence d’une manière très frappante : deux baguettes, de 30 centimètres de long environ, l’une de silice, l’autre de verre, sont fixées par une de leurs extrémités à l’intérieur d’un tube deelaiton ; les deuxextrémités litres sortent de ce tube sur une longueur de 1 centimètre ; la baguette de
verre est plus courte que l’autre de un demi-millimètre environ. IJn
objectif donne leur image sur un écran. Si l’on chauffe le tube de
laiton à l’aide d’un bec Bunsen, on voit sur l’écran la baguette de
~
verre s’allonger beaucoup plus que l’autre, lui devenir égale et même
la dépasser.
Il résulte de cette différence de dilatation qu’il n’est pas possible
de souder la silice au verre. On les réunit par un rodage graissé ou noyé dans du mercure pour le rendre étanche .
Pour la même raison, ilest impossible de souder la silice au platine, qui, d’ailleurs, est complètement fondu quand le tube est simplement pâteux et qui n’adhère pas à la silice.
La silice fondue est très peu sensible aux variations brusques de température. Un tube de silice, d’une épaisseur de un demi à 1 milli- mètre, peut être chauffé au rouge blanc et plongé brusquement dans
de l’eau froide sans se briser. Il est nécessaire que le tube soit fermé à l’extrémité qu’on plonge dans l’eau ; si elle est ouverte, l’eau entre dans le tube chaud, s’y vaporise, et le tube est_ presque toujours
cassé.
La silice fondue est donc d’un usage beaucoup plus sûr que le
verre pour des recherches sur les hautes températures. Mais il faut
se tenir en garde contre les erreurs que pourrait causer le défaut de
rigidité que’la silice présente vers 1000° et au-dessus.
A froid, la silice est un liquide surfondu ayant les propriétés d’un
solide. A la température de la flamme d’un bec Bunsen, sa rigidité
n’est plus qu’apparente : en chauffant dans cette flamme une ba- guette de silice horizontale, maintenue par une extrémité, peu à peu, sous l’influence de son poids, on la voit se courber au point
chauffé. t~. cette température, la silice est donc déjà plastique. Cette
(1) LE CHATELIER, C. R.,t. CXXX, p. 1703 : 2013 CALLENUAR. News, t. LXXXIIT,
p. 151 ; 1901 ;
-110[,BOR-x et HENNLNG, Ann. cler Physik, t. X, p. 41:6; 19 03.
504
expérience réussit de même avec les fils de quartz : ces fils se
ramollissent et se courbent dans la flamme d’une allumette. M. Joly
a fait quelques mesures sur la plasticité de la silice à des tempéra-
tures comprises entre 700 et 10000 (1).
De plus, la silice fondue, maintenue longtemps à une température
de 10000 environ, cristallise lentement; la transformation va de la surface à l’intérieur de la masse. La couche cristallisée est craque- lée et c’est pourquoi une baguette de silice chauffée ainsi très long- temps devient fragile. C’est sans doute quelque chose d’analogue qui se produit, mais beaucoup plus rapidement, sur les fils de
quartz : il suffit de chauffer un instant dans la flamme d’un bec Bunsen un faisceau de fils de quartz pour que ces fils, qui étaient auparavant très souples et très résistants, deviennent cassants et tout à fait inutilisables.
La plasticité et la recristallisation de la silice à ces températures peuvent être gênantes dans certaines recherches ; toutefois, les tubes
de silice peuvent rendre de grands services, en raison de leur trans- parence, non seulement à froid, mais même aux températures voi-
sines de 1000°.
Propriétés optiques.
--La silice fondue n’est pas biréfringente ;
son indice moyen, qui est de 1,46, est très inférieur aux indices du
quartz, mais voisin de ceux des formes orthorhombique et quadra- tique de la silice (chrystobalite et t1-idymite) (3) .
Voici les nombres de M. Dufet (2~ :
A froid, la transparence de la silice fondue est très grande pour les rayons visibles et même pour les rayons ultra-violets. Un fais-
ceau de fils de quartz se prête très bien à l’expérience des fontaines lumineuses. Cette transparence subsiste, au moins pour les pre-
miers, à toute température inférieure à celle de son point de fusion.
J’utilise cette propriété pour faire une expérience de cours relative
à la loi de Kirchhoff : un fil de platine placé à l’intérieur d’un tube de silice, est chauffé dans la flamme d’un bec Bunsen. A cette tem-
(1) Nature, t. LXIV, p. 102.
(2) Phil. Mag., 1890-2; p. ~1~7.
(3) DUFET, Bull, d. séances Soc. Fi-. de iè fasc., p. 39; 1901.
505
pérature, le fil de platine a un pouvoir émissif considérable; le tube
de silice, qui n’émet pas de lumière, n’en absorbe pas non plus ; de
sorte que l’on voit le fil de platine rouge au travers du tube trans-
parent.
A la température de fusion du quartz, la transparence de la silice
disparait et un fragment de silice chauffé à fusion est extrêmement lumineux. On peut même utiliser la lumière émise dans ces condi-
tions pour projeter les phases de la fabrication d’un tube.
Diélectricité.
-Un corps aussi transparent est nécessairement
diélectrique. La silice fondue est, en effet, un excellent diélectrique,
de même que c’est un mauvais conducteur de la chaleur comme le
verre.
Dans beaucoup d’appareils d’électrostatique, on pourrait rempla-
cer les supports isolants que l’on fait en verre par des supports
en silice fondue. Grâce à la propriété que possède la silice de pouvoir supporter l’action brutale de la flamme, leur nettoyage est des plus
faciles : il suffit de les porter au rouge pendant un instant.
Action des agents chimiques .sur la silice fondue.
-Les vases en
silice fondue résistent très bien à tous les acides, sauf l’acide fluorhy- drique ; mais il faut se garder d’y mettre des bases fortes comme la
potasse ou la soude. Un tube de silice ayant contenu de la potasse
se brise quand on le chauffe. Les oxydes métalliques, comme l’oxyde
de cuivre, se combinent au rouge à la silice ; certains métaux, l’argent, par exemple, l’attaquent aussi.
Lorsqu’on fabrique un tube de silice, il se dépose sur les parties
les moins chaudes du tube une poussière blanche : c’est de la silice.
D’après Gaudin, elle serait due à une simple volatilisation. M. Shen- stone, au contraire, attribue la formation de ce dépôt à l’action des métaux alcalins, que le quartz contient toujours en très faible quan-
tité, sur la silice fondue. J’indiquerai bientôt la véritable cause de
cette dévitrification apparente.
III.
-TRAVAIL DE L’ANHYDRIDE BORÏQUE.
Le procédé que j’emploie pour faire des tubes en anhydride borique
est le mème que celui qui sert dans l’industrie pour le verre.
On commence par préparer une masse d’anhydride borique fondu,
en chauffant de l’acide borique cristallisé, dans une capsule de
platine, sur un fourneau à gaz. Cet acide fond, perd de l’eau qui, en
506
se dégageant à l’état de vapeur, fait boursoufler la matière. Il faut chauffer assez longtemps pour que la plus grande partie de l’eau s’échappe ; on baisse ensuite légèrement le feu et les bulles en rorma- tion sont réabsorbées par l’acide déshydraté. On obtient une masse
hoinog-ène bien fondue, dont la viscosité se prête au travail à la
canne.
Avec une canne en fer, chauffée au préalable, on cueille une cer-
taine quantité d’anhydride borique dans la capsule de platine. Cette
masse est roulée sur un plan métallique, en cmvre, par exemple, de
manière à la centrer autour de la canne ; on la reporte dans la flamme
pour lui donner une température aussi uniforme que possible ; quand
la matière est assez plastique, on souffle dans le tube de fer et l’on
fabrique ainsi une boule en anhydride borique. Il est difficile de saisir le moment convenable pour souffler ; on y arrive avec un peu de pratique. Pour obtenir un tube, on fait une boule épaisse que l’on étire en soul’flant légèrement.
Dans l’air ordinaire, les objets en anhydride borique se recouvrent
d’une couche blanche et opaque d’acide borique, qu’un lavage à la potasse fait disparaître. Dans l’air sec, au contraire, ils restent transparents.
’
On peut travailler un tube en anhydride borique dans le chalumeau à gaz d’éclairage, de la même manière que le verre ordinaire ; mais
il faut que la flamme soit très peu chaude : l’anhydride borique fond,
en effet, à basse température et sa viscosité diminue beaucoup si la
’