HAL Id: jpa-00207044
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Submitted on 1 Jan 1971
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Coefficients de température de la conductivité des solutions concentrées de lithium et de césium dans
l’ammoniac liquide
J. Castel, J.-P. Lelieur, G. Lepoutre
To cite this version:
J. Castel, J.-P. Lelieur, G. Lepoutre. Coefficients de température de la conductivité des solutions
concentrées de lithium et de césium dans l’ammoniac liquide. Journal de Physique, 1971, 32 (2-3),
pp.211-216. �10.1051/jphys:01971003202-3021100�. �jpa-00207044�
COEFFICIENTS DE TEMPÉRATURE DE LA CONDUCTIVITÉ
DES SOLUTIONS CONCENTRÉES DE LITHIUM
ET DE CÉSIUM DANS L’AMMONIAC LIQUIDE
par J. CASTEL (*), J.-P. LELIEUR et G. LEPOUTRE
Laboratoire des Métaux Alcalins dans NH3 liquide (Equipe de Recherche Associée au C. N. R S.)
Faculté libre des Sciences et Hautes Etudes Industrielles, 13, rue de Toul, 59, Lille (Reçu le 16 octobre 1970)
Résumé. 2014 Des mesures de conductivité électrique par
uneméthode d’induction des solutions Li-NH3 et Cs-NH 3 montrent que le coefficient de temperature 03B3 de la conductivité devient négatif
aux
concentrations et aux températures les plus élevées. Nous suggérons qu’une déformation de la bande de conduction peut être à l’origine du changement de signe de y.
Abstract.
2014Measurements of electrical conductivities of Li-NH3 and Cs-NH3 solutions, by
an
induction method, show that temperature coefficients of conductivities, 03B3, become negative
at higher concentrations and temperatures. We suggest that
adéformation of the conduction band may originate the change of sign of 03B3.
Classification
physics Abstracts
05.30 - 14.88
Introduction.
-Les solutions concentrées de mé- taux alcalins dans l’ammoniac liquide, de fraction molaire x2 supérieure à 0,08, ont un comportement de type métallique [1] : leur conductivité électrique est de
l’ordre de grandeur de celle des métaux ; leur pouvoir thermoélectrique est aussi comparable à celui des métaux ; leur coefficient de Hall, indépendant de la température, est celui du gaz d’électrons libres formé par les électrons de valence des atomes alcalins mis en
solution. Cependant le coefficient de température de la
conductivité (y
=dln r/dt) des solutions concentrées
Na-NH3 et K-NH3 est faible et positif à toute concen- tration ; Naiditch [3] a obtenu pour les solutions Na-
NH3 des valeurs de y négatives, mais pour des tempé-
ratures très supérieures à l’ambiante. Pour cette raison les solutions pouvaient présenter une décomposition importante. De plus les corrections de pression de
vapeur et de densité sont alors importantes et doivent
être effectuées. Nous retenons que dans des conditions habituelles y est positif pour les solutions Na-NH3 (mais nous n’excluons pas qu’il devienne négatif à des températures plus élevées), alors qu’il est négatif dans
les métaux monovalents. Ce coefficient décroît lorsque
la concentration augmente. En extrapolant les valeurs de ce coefficient au-delà de la limite de saturation,
atteinte pour x2 N 0,15 dans le cas de Na-NH3 ainsi
que dans celui de K-NH3, on obtient des valeurs néga-
tives. Or pour les solutions Li-NH3 la saturation est atteinte pour-
=0,20, et il n’y a pas de saturation pour les solutions Cs-NH3. Ces solutions peuvent donc
(*) Cet article est extrait de la thèse de Docteur-Ingénieur de J. Castel, Université de Lille, 1970, n° 96.
avoir des concentrations supérieures à celles des solu- tions Na-NH3 et K-NH3 saturées, et offrent la possibi-
lité d’obtenir des valeurs négatives de y. Cependant des
mesures récentes de Thompson [2] et de ses collabora-
teurs laissent planer un doute à ce sujet. Il convient
en particulier d’effectuer des corrections pour tenir compte de la pression de vapeur de NH3 au-dessus de
la solution, et de la dilatation thermique assez impor-
tante de ces solutions.
Nous avons mis au point, et adapté aux solutions
métal-ammoniac concentrées, une technique de mesure
de conductivité sans électrodes. Ceci permet d’éviter la décomposition des solutions au contact de l’électrode.
Dans ces conditions, nous avons pu mettre en évidence,
pour des concentrations et des températures suffisam-
ment élevées des coefficients de température de la
conductivité négatifs comme dans les métaux mono-
valents.
I. Techniques expérimentales.
-1) MESURES DE
CONDUCTIVITÉ.
-Depuis quelques années, des tech- niques de mesures de conductivité basées sur le phé-
nomène d’induction ont été appliquées aux solutions
de métaux alcalins dans l’ammoniac liquide [2, 3, 4, 5].
L’intérêt de cette méthode réside dans les deux avan-
tages suivants ; d’une part l’absence d’électrodes per- met d’éviter la décomposition catalytique des solutions
au contact du métal ; d’autre part, il est alors possible
d’effectuer des mesures à des températures où la pres- sion de vapeur est assez importante pour interdire
l’emploi de passages verre-métal.
a) Principe.
-La solution dont on veut mesurer la conductivité est contenue dans une boucle de verre qui
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01971003202-3021100
212
joue le rôle de l’enroulement secondaire à spire unique
d’un transformateur (Fig. 1). L’enroulement primaire,
bobiné sur une tore de ferrite, est connecté à un pont d’impédance (Wayne-Kerr B. 641).
FiG. 1.
-Cellule de
mesure.Les lois du transformateur parfait montrent que la résistance apparente de ce dipôle est donnée par une formule :
où R est la résistance de la boucle secondaire et n le rapport de transformation, sensiblement égal au
nombre de tours de l’enroulement primaire. La mesure
de R’ conduit donc à celle de R. Toutefois, pour donner à cette mesure une précision suffisante, il est nécessaire de tenir compte des pertes de toutes natures se pro- duisant dans les circuits. A cet effet, nous utilisons le schéma équivalent complet du transformateur où toutes les impédances sont ramenées dans le circuit
primaire (Fig. 2). Ces impédances comprennent d’une part des résistances pures (pertes dans le noyau magné- tique Rp résistance de l’enroulement primaire Reu) et
d’autre part des éléments purement inductifs (self du primaire Lp et self des flux de fuite L1 et L2 n2). Ces
différentes grandeurs sont évaluées expérimentalement
à chaque mesure, et le calcul, à partir du schéma équi- valent, permet de déterminer la résistance apparente Rn2 de la boucle de solution.
FIG. 2.
-Schéma équivalent de la cellule de mesure,
encharge, et à vide.
b) Etalonnage.
-Pour passer de la résistance appa- rente Rn2 à la conductivité de la solution, un étalon-
nage est nécessaire. Il a pour but de déterminer la
constante géométrique de la cellule de verre et le rap- port de transformation réel. Cet étalonnage est effectué
à l’aide du mercure pour chaque température de
mesure, afin de tenir compte d’une légère variation du rapport de transformation avec la température. Une extrapolation est nécessaire pour les températures infé-
rieures au point de solidification du mercure ( - 39 OC).
c) Vérifications expérimentales.
-Deux séries de
vérifications expérimentales ont été faites :
-
Mesure de conductivité de métaux alcalins
liquides : les conductivités du potassium et du césium liquide, mesurées à l’aide de notre appareillage, sont,
dans tous les cas, voisines à mieux que 1 % de celles
que l’on peut relever dans la littérature [6, 7, 8, 9].
-
Mesure de conductivité de solutions métal- ammoniac : nous avons retrouvé avec un écart de l’ordre de 1 % les conductivités des solutions sodium- ammoniac et potassium-ammoniac mesurées par Kraus et Lucasse [10, 11].
d) Limite et précision des mesures.
-La limite infé- rieure de conductivité mesurable par cette méthode se
situe entre 500 et 1 000 03A9-1 cm-1. En effet, l’appareil- lage perd toute sensibilité lorsque la résistance de la
spire secondaire dépasse 1 Q.
La reproductibilité des résultats est meilleure que
0,1 % (vide infra). Les vérifications de l’appareillage
décrites ci-dessus nous permettent d’évaluer la précision
sur les mesures de conductivité à 1 %. A l’aide de
mesures répétées, nous avons déterminé le coefficient de température y de la conductivité avec une incertitude
Ay inférieure à 0,01 % par degré pour les solutions
LiN-H3. Pour les solutions Cs-NH3, le nombre des
mesures en fonction de la température étant plus restreint, l’incertitude Ay devient de l’ordre de 0,03 %
par degré (Castel, thèse, p. 69).
2) MODE OPÉRATOIRE ET DOSAGE DES SOLUTIONS.
-a) Préparation des solutions.
-Les solutions sont
préparées dans des tubes de Pyrex, lavés et rincés avant montage et dégazés sous vide de 10-6 torr, l’ammoniac commercial est desséché pendant 24 heures sur sodium
et doublement distillé.
Le césium est obtenu par déplacement à partir de son
chlorure par le calcium, puis distillé 4 fois sous vide. Le lithium, impossible à distiller en tube de verre, est
coupé sous atmosphère d’argon à partir d’un lingot
très pur (Koch Light) puis introduit sur la ligne à vide
à l’aide d’un montage comportant un robinet à large
voie.
b) Mesures.
-Une partie de la solution préparée
est introduite dans la cellule de mesure, le reste est utilisé pour le dosage. La cellule de mesure est immer-
gée dans un bain d’alcool éthylique thermostaté par
régulation proportionnelle. La température est mesurée
par une sonde à résistance de platine insérée dans un pont de Wheatstone. La reproductibilité des mesures à
mieux que 0,1 % après cyclage de la température
montre l’absence de décomposition de la solution.
c) Dosages.
-Le dosage de la solution se fait en
deux temps :
-
Détermination de la masse de solution par pesée d’ampoule.
-
Dosage par pH-métrie de la solution basique
obtenue après évaporation de NH3 à l’air et reprise du
métal par l’eau. On détermine ainsi la quantité de
métal. Dans ces conditions la quantité d’ammoniac est
déterminée par différence. Toutefois, dans le cas des solutions très concentrées de césium, l’ammoniac pré-
sent en faible quantité est totalement dissous par la solution aqueuse pendant l’attaque. Il peut alors être dosé par pH-métrie.
La précision des dosages (AX2lX2) est assez faible et dépend essentiellement du rapport entre les masses de métal et de solvant. Elle est meilleure que 2 % pour les solutions de lithium, et 5 % pour celles de césium, en raison de la masse atomique élevée de ce métal.
II. Résultats expérimentaux. -1) SOLUTIONS DE
LITHIUM.
-Nous avons mesuré la conductivité des solutions dans une gamme de températures comprises
entre - 75°C et + 25 oC, et pour 9 solutions de concentrations différentes comprises entre X2
=0,168
et x2
=0,196. Les résultats sont présentés sur la figure 3 sous la forme d’un diagramme en coordonnées
semi-logarithmiques, de telle sorte que la pente des courbes est proportionnelle au coefficient de tempé-
rature :
FIG. 3.
-Conductivités des solutions Lithium-Ammoniac
enfonction de la température à diverses fractions molaires.
lx2 = 0,168, 2 x2 = 0,178, 2 x2 = 0,185, 4 x2
=0,188, 5 x2 = 0,190, 6 x2 = 0,194, 7 x2 = 0,194, 8 x2
=0,196,
9 X2
=0,195.
On remarque donc, sur la figure 3, que le coefficient de température y est négatif aux températures les plus
élevées et que le maximum de la conductivité, qui correspond à une valeur nulle de y se déplace vers les
basses températures lorsque la concentration des solu- tions augmente.
Toutefois, les résultats représentés sur la figure 3
sont des résultats expérimentaux qui ne se prêtent pas directement à une interprétation théorique. En effet, la variation avec la température de la conductivité que
nous avons mesurée provient de deux causes : a) la variation avec la température des propriétés électriques de la solution,
b) la dilatation thermique de la solution.
En utilisant les valeurs de la densité des solutions concentrées de Li dans NH3 mesurées par Lo [12],
nous avons calculé l’effet de la dilatation thermique sur
la conductivité. Nous avons obtenu, en corrigeant les
valeurs expérimentales, la conductivité à volume constant. Cette grandeur dépend uniquement des pro-
priétés électriques de la solution. La figure 4 représente
en coordonnées semi-logarithmiques la variation, en
fonction de la température, de la conductivité à volume constant des solutions que nous avons étudiées.
FIG. 4.
-Conductivités des solutions Lithium-Ammoniac
enfonction de la température à diverses concentrations.
lc=5,66M, 2 c = 5,94 M, 3c=6,11, 4 c = 6,24 M, 5 c = 6,32 M, 6 c = 6,41 M, 7 c = 6,47, 8 c = 6,45 M.
Les courbes de la figure 4 présentent le même aspect que celles de la figure 3, mais on peut remarquer que seules les solutions de plus fortes concentrations ont
un coefficient de température de la conductivité négatif
et que le maximum de conductivité à volume constant
se trouve situé à des températures plus élevées que le maximum de la conductivité apparente.
A partir des courbes de la figure 4, nous avons cal-
culé numériquement les coefficients de température en
fonction de la concentration ; les résultats obtenus sont représentés sur la figure 5 pour T’ 35 °C et pour T= + 25°C.
A - 35 °C le coefficient de température est positif à
toute concentration, à + 25 °C il devient négatif aux
concentrations les plus élevées, le changement de signe
se produisant pour une concentration voisine de
6,25 mole/litre.
214
FIG. 5.
-Coefficients de température des conductibilités des solutions Lithium-Ammoniac
enfonction des concentrations à deux températures. L’incertitude Ay est estimée à ± 0,01 %
par degré.
2) SOLUTIONS DE CÉSIUM.
-Nous avons mesuré la
conductivité de 10 solutions concentrées de fractions molaires x2 comprises entre 0,14 et 0,64. Les difficultés
expérimentales sont importantes, ce qui limite le
nombre de points expérimentaux. En effet, les solutions de concentration supérieure à X2 ~ 0,20 se décompo-
sent facilement ; de plus pour ces solutions, la tempé-
rature de solidification commençante croît’ avec la concentration.
Faute de données expérimentales concernant la densité des solutions très concentrées de césium, nous
n’avons pas pu calculer la conductivité à volume cons-
tant, comme nous l’avons fait dans le cas des solutions de lithium. Nous ne donnons donc que les conducti- vités apparentes (Fig. 6) et le coefficient de la tempé-
rature de la conductivité apparente (Fig. 7). A titre de
FIG. 6.
-Conductivité des solutions Césium-Ammoniac
enfonction de la température à diverses fractions molaires.
comparaison, nous avons également reporté sur la figure 7, les resultats de Schroeder et al. [2]. Le chan- gement de signe du coefficient de température de la
conductivité apparente des solutions de césium a lieu
au voisinage de la valeur x2
=0,30, ce coefficient étant
négatif pour les solutions les plus concentrées.
FIG. 7.
-Coefficients de températures des conductivités des solutions Césium-Ammoniac
enfonction des fractions molaires
(sans correction de densité) ;
mesuresde Schroeder à
-33 OC: . ;
nos mesures
à
-35 °C : x. L’incertitude ày est estimée à
± 0,03 % par degré pour
nos mesures( x ).
III. Interprétation.
-Le coefficient de tempéra-
ture y de la conductivité des solutions métal-ammoniac est généralement positif, contrairement à celui des métaux monovalents. Nous venons d’établir que y devient négatif dans les solutions de lithium et dans celles de césium lorsque la concentration ou la tempé-
rature sont suffisamment élevées.
Plusieurs modèles ont été proposés pour rendre compte de la conductivité de ces solutions [13, 14, 15].
Ils expliquent de manière à peu près satisfaisante la très forte croissance de la conductivité avec la concentra-
tion, mais ils ne rendent pas compte des valeurs posi-
tives de y, ni de son changement de signe dans certaines conditions de concentration ou de température.
Un modèle plus élaboré vient d’être proposé récem-
ment par Ashcroft et Russakoff [16] : il tient compte de la diffusion des électrons de conduction par les ions solvatés et par les molécules d’ammoniac « libres », c’est-à-dire celles qui ne font pas partie de la couche de
solvatation des ions. Ce calcul fait intervenir le facteur de structure des ions solvatés qui est lui-même calculé à
l’aide du modèle proposé par Ashcroft et Langreth pour les alliages binaires. Le modèle d’Ashcroft et Russa- koff rend compte de la variation de la conductivité
avec la concentration mais il n’a pas été utilisé pour rendre compte de la variation avec la température.
Dans ce modèle, le signe de y devrait résulter de la
dépendance du facteur de structure avec la tempéra-
ture. D’ailleurs, Schroeder [17] a calculé y à partir du
facteur de structure déterminé à l’aide du modèle d’Ashcroft et Langreth, et a trouvé des valeurs négatives
à toutes les concentrations supérieures à x2
=0,08,
sans mettre en évidence le changement de signe dont
nous confirmons l’existence. Rappelons que pour les métaux liquides, le signe du coefficient de température
de la conductivité (négatif pour les monovalents, positif pour les divalents) est correctement expliqué par les variations thermiques du facteur de structure, dans la théorie de Ziman [18].
La décroissance continue de y jusqu’à des valeurs
négatives rend nécessaire d’introduire des considéra- tions autres que celles relatives au facteur de structure.
Lelieur, Chieux et Lepoutre [14] ont avancé l’hypo-
thèse qu’une déformation de la bande de conduction peut expliquer les variations de y. Les cations solvatés peuvent en effet grâce à l’orientation des dipôles ammo- niac, créer entre eux des sites capables de piéger tem- porairement les électrons de conduction. Il existerait ainsi des états « localisés », présentant une analogie
avec ceux existant dans les solutions diluées.
Cela revient à dire que pour les solutions concen-
trées, des états localisés sont passés dans la bande de
conduction et contribuent à sa déformation. Suivant cette hypothèse une augmentation de température
diminue la profondeur moyenne de ces « puits de potentiel » et le temps de séjour des électrons dans ces
sites. La conductivité augmente donc et y est positif. Le
nombre moyen de ces sites diminue régulièrement quand la température augmente, pour faire place pro- gressivement à un réseau métallique liquide. Ceci explique que y diminue quand la température augmente
et qu’il puisse devenir négatif. De même une augmen- tation de concentration à température constante
diminue le nombre des sites disponibles, car moins de
molécules d’ammoniac sont alors susceptibles de les
créer. Le caractère métallique s’accentue, ce qui explique la décroissance de y quand la concentration augmente. Ce modèle explique donc qualitativement
les variations de y, mais d’autres travaux sont néces- saires pour préciser cette déformation de la bande.
D’autres expériences, de magnétorésistance par
exemple, effectuées dans la gamme de concentrations où y change de signe, pourraient peut-être apporter des renseignements utiles.
Catterall et Mott [19] ont récemment examiné les
différentes raisons qui pourraient expliquer les valeurs
positives de y. Ils en retiennent deux. D’une part, ils
avancent l’hypothèse que les variations thermiques du
facteur de structure S(q) peuvent conduire à des valeurs positives de y, car le potentiel conduisant à la corrélation entre ions est de la forme :
où q est une constante d’écran et
xla constante diélec- trique statique du solvant. La décroissance de K lorsque
la température augmente serait la cause d’une variation thermique de S(q) opposée à sa variation habituelle dans les métaux monovalents liquides. Il nous semble
difficile d’utiliser les valeurs expérimentales de K: rela-
tives au solvant pur, puisqu’il s’agit de solutions
concentrées où une grande partie des molécules d’am- moniac est soumise au champ des cations. D’autre part, ils suggèrent que « la diffusion par les défauts de
Bjerrum ou les fluctuations de densité pourraient
donner des valeurs positives de y, puisqu’une augmen-
tation de température rendrait les cavités situées entre les cations solvatés plus grandes et moins bien défi- nies ». Cette hypothèse semble rejoindre celle que nous
avons développée précédemment.
Il pourrait être intéressant de discuter une éventuelle
dépendance de la constante d’écran, q, en fonction de la température.
Lorsque le gaz électronique est dégénéré, la constante d’écran q ne dépend pas implicitement de la tempéra-
ture. Mais elle en dépend par l’intermédiaire des varia- tions de la densité et de la concentration avec la tempé-
rature. Il est facile de montrer qu’il en résulte des variations négligeables pour e-qr. Si le gaz électronique
n’est pas dégénéré (lorsqu’une fraction seulement des électrons était libre), qr est inversement proportion-
nelle à la température, mais qr est très petit et e-qr très
voisin de 1. Ici encore les variations de T sont négli- geables sur e-qr.
Conclusion.
-Nous avons mesuré les coefficients de température de la conductivité des solutions concen-
trées de lithium et de césium par une technique d’in-
duction applicable aux métaux liquides. Nos résultats
confirment avec plus de précision et dans le cas du
lithium étendent au-dessus du point d’ébullition de l’ammoniac les valeurs obtenues par d’autres auteurs.
Ces résultats montrent la décroissance du coefficient de température avec une augmentation de température
ou de concentration. Nous obtenons des valeurs néga-
tives aux concentrations et aux températures les plus élevées, alors que les valeurs sont positives aux concen-
trations inférieures.
Ces propriétés sont liées à l’établissement progressif
d’un état métallique liquide. Lorsque le coefficient de
température est négatif comme dans les métaux nor- maux, la structure de ces solutions est analogue, par exemple, à celle, des alcalins liquides. Rappelons que dans le cas présent l’ion métal est solvaté par des molécules d’ammoniac. Lorsque le coefficient de tem-
pérature est positif, la structure de la solution n’est pas exactement celle d’un état métallique liquide. Nous suggérons qu’une déformation de la bande de conduc- tion en est la cause.
Il convient donc de constater que différentes contri- butions au coefficient de température y de la conducti- bilité coexistent. Une contribution vient du réseau
métallique liquide dont la bande de conduction ne
serait pas déformée ; elle prédomine lorsque y est négatif. Une autre contribution vient de la déformation de la bande de conduction ; elle prédomine lorsque y est positif.
Remerciements.
-Ce travail a bénéficié de l’aide
de la D. R. M. E.
216
Bibliographie [1] Pour
une revuedes solutions concentrées, voir par
exemple :
a) COHEN (M. H.) and THOMPSON (J. C.), Adv. Phys., 1968, 17, 857.
b) LEPOUTRE (G.) and LELIEUR (J. P.), Colloque Weyl II, Cornell University, à paraître.
[2] a) MORGAN (J. A.), SCHROEDER (R. L.) et THOMPSON (J. C.), J. Chem. Phys., 1965, 43, 4494.
b) SCHROEDER (R. L.), THOMPSON (J. C.) et OER-
TEL