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Etude comparative des vitesses de diffusion de
l’hydrogène et du deutérium à travers le platine chauffé
René Jouan
To cite this version:
ETUDE
COMPARATIVE DES VITESSES DE DIFFUSION DEL’HYDROGÈNE
ET
DUDEUTÉRIUM
A TRAVERS LE PLATINECHAUFFÉ
Par RENÉ JOUAN.
Elève de l’Ecole normale
supérieure.
Sommaire. 2014 Dans le but de déterminer l’efficacité du procédé de séparation des deux isotopes de l’hydrogène par diffusion de leur mélange à travers le platine, nous avons mesuré les vitesses de diffusion de l’hydrogène pur d’une part, du deutérium pur d’autre part, à travers le
platine,
pour des températures échelonnées entre 450° et 950°.Nous avons trouvé que la vitesse de diffusion du deutérium est à toute température les 3/4 de celle de l’hydrogène. Cette différence étant petite, il est probable que le procédé de séparation ne peut pas donner
de très bons résultats.
1. Introduction. -
Après
la découverte dudeuté-rium,
de nombreuses méthodes furent aussitôtem-ployées
pour laséparation
des deuxisotopes
del’hy-drogène,
etparmi
cesméthodes,
on trouve évidemment la diffusion à travers desparois
de natures diverses :papier, porcelaine, palladium.
Comme on nepossédait
guère
de deutérium pur, les mesures consistaient à comparer les teneurs en deutérium d’unmélange
des deuxisotopes
avant etaprès
diffusion à travers laparoi.
Leprocédé
étaitplus
ou moins efficace suivant les conditions del’expérience.
C’est ainsiqu’avec
lepalla-dium,
laséparation
excellente vers 100 à 150, devientà peu
près
nulle à 5000. M. Debierne m’aproposé
d’étudier le cas duplatine
mais enprocédant
d’unefaçon
un peu différente : le deutérium pur étant devenubeaucoup
moins rare,je
devaisopérer
dans des condi-tionsanalogues
avecl’hydrogène
d’unepart,
le deuté-rium d’autrepart;
l’idéal serait évidemment decons-tater une
grande
différence entre les vitesses de diffusion des deux gaz.L’étude de la diffusion de
l’hydrogène
à travers leplatine
adéjà
été faite par Richardson(1)
entre ~1’~~ et11360 et d’une
façon
trèssoignée
par Lombard(centre
~58° et 6 ~0~. Les travaux de Lombard ont montré que lephénomène
de diffusion n’aboutissait à un étatd’équilibre
derégime qu’au
bout d’untemps
souventconsidérable,
de l’ordre d’unesemaine,
l’appareil
étantautomatiquement réglé
defaçon
à fonctionner sansintelruption jour
et nuit. Nedisposant
pas d’untemps
suffisant, j’ai î me borner à construire un appareil
néces-sitant une surveillance constante etpermettant
d’effec-tuer une mesure en
quelques
heures seulement. De telles mesuresrisquaient
évidemment d’être entachées de nombreuses erreurs dues enparticulier
au gaz occlus dans leplatine. L’appareil
a été construit de manière às’affranchir autant que
possible
desplus
grossières
de ces erreurs.2. Construction de
l’appareil
etprincipe
desmesures. - 1~
Appareil
producteur d’hydrogène.
- Le
premier
problème
qui
s’estposé
est celui del’obtention de
quantités
suffisantes de gaz pur,pro-blème
qui dans
le cas del’hydrogène
est sans difficultés (1) RICHIRDSON. Phil. j11 ag , 1904, 6, 1, 266.(2) LoMBRD. Thèse, 19?8.
mais
qui
seprésente
sous unaspect
un peuspécial
ence
qui
concerne le deutérium : ils’agit
alors d’obtenir purl’hydrogène
lourd contenu dans un volume d’eau lourde de l’ordre de 1 cm3 avec un rendement aussiélevé que
possible.
J’ai pour celarepris
leprocédé
qui
consiste àdécomposer
l’eau par le sodium vers 3500..
L’appareil
était celuireprésenté
par le schémaci-contre. Un ballon de
1,5 1
environ est terminé à sapartie
inférieure parun
cylindre
C de 3 cm de diamètre et de 10 cm delongueur.
Il est fermé enA par un bouchon
rodé,
etl’ensemble est
complé-té par les tubulures
indi-quées
sur lafigure.
Voici la marche d’uneopéra-tion :
Par le col du
ballon,
on introduit en C un creuset d’aluminium contenant environ 2 g de sodium. Le sodium était sous forme de
petits
frag-ments découpés aussitôt
avant dans
de
gros mor- Fig. 1.ceaux, de
façon
que lasurface de
chaque
petit
morceau n’ait été au contact de l’air que lesquelques
minutes nécessaires à lamanipula-tion. On ferme alors en
A,
les robinets r9,Ri
etR2
étantouverts et ri fermé. Puis on fait le vide par B. On ferme ensuite
Ri
etR2.
Ontrempe
C dans l’airliquide.
Onrem-plitd’eau
laportion de
tube ab(longueur 5
cm, diamètre 4mm).
On ferme r2. On ouvre ri. L’eau vientremplir
la
porlion
de tube bc(4
cm)
qui,
jaugée
au mercure,représente
0,~
cm3. Onferme ri
et on ouvre trèslente-ment r,. L’eau se
vaporise
instantanément dans leballon et vient se condenser sur les
parois
intérieures du creuset d’aluminium. C’est là lapartie
délicate del’opération
car l’eau se condenseégalement
sur lesparois
de verre de C situéesplus
haut que lecreuset,
et la
glace
ainsiobtenue,
enfondant,
passe ensuite au fond du tube C au-dessous du creuset. On laisse alors Crevenir à la
température
ambiante. L’eau est102
posée
par lesodium ;
mais ledégagement
de chaleurainsiprôduitest suffisànt,
nonseulement pour
réchaufferle
creuset,
mais encore pourvaporiser
uneportion
de l’eauqui
vient se condenser sur lesparois
du ballon. Il faut alorsplonger
de nouveau C dans l’airliquide
pour ramener l’eau sur lesodium ;
mais le balloncon-tient
déjà
del’hydrogène,
et lavaporisation
de l’eauest
plus
lente. Il restetoujours
un peu d’eau sur lesparois
et de làprovient
une diminution sensible du rendement.Après
quelques
essais avec l’eauordinaire,
le creuset
qui
est apparu leplus
apte
à recueillir l’eau a la forme ci-contre. Le diamètre de l’ouverture est inférieur au diamètre de C d’unequantité
juste
suffisante pourpermettre
la dilatation de l’aluminiumau cours du
chauffage
ultérieur. Lapetite
saillie au milieu du creuset per-met de l’introduire et de leretirer,
plein
desodium,
à l’aide d’un crochet.Entre
deuxpréparations,
le creuset estnettoyé
à l’alcoolet à l’eau,
puis séché.
Une fois l’eau condensée sur le
so-Fig. 2.
dium,
on introduit C àFintérieur
d’un fourélectrique cylindrique
vertical et on maintient latempérature
vers 350°pendant 2
ou 3 h. Dans cesconditions,
il ne se forme pas desoude,
mais seulement de
l’oxyde
de sodium. Une foisl’opération
terminée,
on ouvreR,
et onplonge
T dans l’airliquide.
Au cas où unegrande quantité
d’eau auraitéchappé
à l’action dusodium,
elle se condenserait enT,
et enplongeant
C dans l’airliquide,
onpourrait
recommencerl’opération.
Mais ce cas ne s’est pasprésenté.
Il reste alors à pomper le gaz par B à l’aide d’unetrompe
à chute de mercurequi
permet
de recueillirl’hydrogène
sur la cuve à mercure dans degrandes
éprouvettes
de 600
cm3,
prolongées
à leurpartie supérieure
par untube muni d’un robinet.
Le rendement est un peu meilleur avec
l’hydrogène
qu’avec
le deutérium. Celaprovient
du fait que l’eaulourde semble fixée moins
rapidement
que l’eau ordi-naire par lesodium,
etquand
on chauffe C il reste de l’eauqui
va se condenser sur lesparois
du ballon.On
améliore évidemment le rendement en condensant ungrand
nombre de fois l’eau en C à l’aide d’airliquide,.
Avec uneopération
assezrapide,
onpeut
obtenir60 pour 10() de la
quantité
totale du deutérium contenudans l’eau lourde utilisée. Il subsiste
probablement
un peu de soude,L’hydrogène
et le deutérium ainsi obtenus ont ensuite étépurifiés
dansl’appareil
à diffusion lui-même avantd’être utilisés pour les mesures. Cette
opération
préli-minaire
présente
troisavantages :
1° Elle débarrasse
l’hydrogène
des gazétrangers
qu’il
peut
contenir etqui
diffusentbeaucoup
moins vite que lui.2u Elle met le
platine
en contact avecl’hydrogène
vers i 000°
pendant plusieurs
heures,
et ramène ainsi dans un état favorable pour atteindrerapidement
l’étatd’équilibre
dans les mesuresproprement
dites.3o Elle donne une idée de l’ordre de
grandeur
duphénomène
etpermet
ainsi unepréparation soignée
des
expériences
de mesures. 2°Appareil
à diffusion. -L’hydrogène
diffusait à travers leplatine,
d’uncompartiment
A où il était constamment sous lapression atmosphérique
dans uncompartiment
B où l’on maintenait le vide. Les mesures étantrapides,
il étaitindispensable
de se mettre à l’abri desgrossières
erreurs dûes aux fuitespossibles
ou audégagement
de gaz occlus dans leplatine.
Dans cebut,
on a mesuré dans
chaque expérience,
d’unepart
laquantité
d’hydrogène
qui
avaitquitté
A,
d’autrepart
la
quantité d’hydrogène
recueillie en B. Pourcela,
lapression
était maintenue constante dans A encompen-sant le
départ
de gaz par une rentrée de mercure quel’on
pesait
ensuite. D’autrepart
Bcommuniquait
avecune
trompe
à chute de mercurequi
permettait
derecueillir les gaz diffusés dans des
éprouvettes graduées
sur la cuve à mercure.
L’appareil permettant
d’effec-tuer ces mesures est
représenté
ci-contre.Le tube de
platine
diffusant T a 1 cm dediamètre,
1/10
mmd’épaisseur
et ~0 cm delong.
Il est verticalet fermé à sa
partie
supérieure.
Sapartie
inférieure est soudée à un tube de verre de même diamètre. Ilest enfermé à l’intérieur d’un tube de
quartz
de 18 mmde diamètre intérieur. En face de l’extrémité
supérieure
du tube T se trouve la soudure chaude d’uncouple
thermoélectrique
Pt-Pt rhodié 10 pour 100. J’aigradués
préalablement
cecouple
à l’aide despoints
de fusion du zinc~~19~~,
de l’antimoine 63üo et du chlorure de sodiumJ’ai été ainsi conduit à la formule suivante
don-nant la force électromotrice du
couple
en fonction de la différence detempérature
entre les deuxsoudures,
formule quej’ai
constamment utilisée par la suite :Un four
électrique
vertical chauffe le tube dequartz
sur20 cm dont
10,5
enregard
du tubede platine.
Pouréviter-les
pertes
de chaleur parconvection,
l’espace
annulaireentre le tube de
quartz
et le tube deporcelaine
du four a étésoigneusement
bouché d’amiante à ses deux extré-mités. Deplus,
entre leplatine
et lequartz
ont étéplacées
deuxrondelles,
l’une r enquartz,
l’autre r’ enmica pour éviter que la soudure s ne soit
trop
fortementchauffée. Le tube de
quartz
communique
à sapartie
supérieure
avec latrompe
à chute de mercure àlaquelle
il est lié par unjoint
au mercureJ3.
Latrompe
à mer-cure est munie d’un manomètreh ;
elle est alimentée par une remontée de mercure,système Verneuil,
qu’en-tretient unetrompe
à eau.En
JI
le tube dequartz
estmastiqué
au tube de verreintérieur à l’aide de mastic
Régnier.
Ce tube intérieur lui-même est liégrâce
à unjoint
au mercure, à un tubequi
communique
avec lapartie
inférieure del’appareil.
Les différentes
parties
del’appareil
sont très lourdeset ne
peuvent
pas êtreparfaitement
stables,
surtoutd’im-103
Fig. 3.
portantes
masses de mercure. C’estpourquoi
on a utilisédes
joints
au mercurequi
permettent
depetits
dépla-cements des deuxparties
ainsi réunies.La
partie
inférieure del’appareil comprend
essen-tiellement un réservoir Rplus
ou moinsrempli
de mercure. Ce réservoircylindrique
est vu de bout sur lafigure ;
il a ~8 cm delong
et5,5
cm de diamètre.11 contient del’hydrogène
et du mercure enquantités
variables, Il a donc un
poids
très variable et pour être un peustable,
il repose sur du caoutchouc mousse etest solidement fixé à une
brique
deplomb
munie d’unévidement pour
le recevoir. Tout l’ensemble estplongé
dans une cuve contenant 10 1
d’eau,
entourée de feutreépais.
Dans la cuveplongent
encore un thermomètregradué
au1/l0e
et untuyau
d’arrivée d’aircomprimé
pour l’uniformisation de latempérature
parbrassage
de l’eau. A la
partie supérieure
de R est soudé un tube de verrequi communique
avec le manomètre H et les tubuluresindiquées
surlafigure.
A lapartie
inférieureest soudé un tube
capillaire,
muni d’un robinet p etterminé par un
siphon
Sayant
la formeindiquée
sur lafigure.
Cesiphon
plonge
dans lapetite
cuve Cportée
par un flacon de verrequi
repose sur leplateau
d’unsupport
avis.Poui
remplir
de gaz le réservoirR,
onprocède
comme il suit : R étantplein
de mercure, le gaz est contenudans une
éprouvette
à robinet que l’ontransporte
sur la cuve à mercure M. Puis ensiphonant
le mercure de cette cuve, on redescendl’éprouvette
jusqu’à
laposi-tion
qu’elle
occupe sur lafigure.
On lamastique
en Navec un tube
communiquant
avec R. p etR,
étantfermés,
on ouvreR, R2
R~
et par ce dernier robinet on fait le vide à l’aide d’une pompe rotative à huile. Onferme
R3
et on ouvre lentementR4
en versant cons-tamment du mercure dans la cuve M pour maintenir lapression
atmosphérique
à l’intérieur del’éprouvette
E.Quand
le manomètre Hindique
lapression
atmosphé-rique,
on ouvre p. Le mercure coule alors dans la cuve C et onrajoute
constamment du mercure en Mjusqu’à ce
que R contienne laquantité
voulue de gaz sous la pres-sionatmosphérique;
on ferme alorsRi
etl’appareil
estprêt
pour une mesure.104
Cela
oblige
à donner à la cuve C une hauteur de 1~ cm.Or,
on doit la peser avec le mercurequ’elle
contient : la forme de la cuve Cpermet de n’y
laisserqu’un
faiblepoids
de mercure au moment despesées
bienqu’elle
puisse
contenir suffisamment due mercure pour uneexpérience
de diffusion. Tout le mercure mis enjeu
dans cesmanipulations
élait conservéséparément
de telle sortequ’à chaque
instant,
onpouvait
savoirapproximativement
quelle quantité
de gaz contenait R. 3° Modeopératoire.
- Yoici comment onprocède
pour une mesure à T° :
La
température
indiquée
par le couple
étant Tdepuis
une heure au
moins,
p ouvert et la cuve C à une hauteur telle que Hindique 760
mm, latrompe
à mercure fonc-tionne sans arrêt. Onplace
alors sur la cuve à mercure de latrompe
uneéprouvette graduée
degrandeur
convenable,
que l’on retire au bout d’untemps
variable(1
h engénéral)
en laremplaçant
par une autre. Pen-dant les 2 min nécessaires à cechangement,
on arrête latrompe
à eau, et ainsi latrompe
à mercure. 5 minplus
tard,
onferme p
et onpèse
la cuve C avec le mer-curequ’elle contient :p
grammes. On yajoute
qgrammes de mercurepréalablement pesés
etqui
ont à peuprès
même volume que laquantité
de gaz diffusée en 1 h.Puis on
replace
C,
et on ouvre p; 1 heureplus tard, p
étantfermé,
onr.ecommence : p’
grammes. Laquantité
de mercurequi
est entrée en 1 heure dans R est doncp
+ q - p’
grammes.p étant ouvert, pour que la
pression
baisse de 1 mm dansR,
C étantfixe,
il faut que le niveau du mercurebaisse de 1 mm dans la
partie élargie
deC,
cequi
correspond
à un volume de 2 cm3 de mercure entré dans R.Ce-simple
calcul montrequ’il
est aisé enagissant
detemps
entemps
sur la vis V de maintenir lapression
dans Régale
à 7fi0 mm de mercure.Une série de mesures étant terminée
(4
mesures d’une heure engénéral),
onporte
successivement chacune deséprouvettes
graduées
sur la cuveprofonde
à mercure etles mesures de volume sont faites à la
température
ambiante sous lapression atmosphérique.
4’
Corrections. -- 1° Si, enlre
deuxpesées
demercurP,la
température
de R avarié,
onpeut
en tenircompte
connaissant le volume de gaz que contient R.Quand
R estplein
de
mercure, il reste un espace nuisibled’envi-ron 70 cm3. Or une
partie
du gaz contenu dans cet espace est à destempératures
intermédiaires entre celle de R et celle du four. Seulel’expérience pouvait
mon-trer si l’erreurcorrespondante peut
être considérable. On verra,d’après
larégularité
desrésultats, qu’il
n’enest rien.
2o En
régime
demarche,
le débit de diffusion estégal
au débit de latrompe
à mercure, cequi exige
en la unepression
pouvant
atteindre 2 cm. Comme la pres-sion de l’eau estvariable,
le débit de latrompe
l’estaussi,
et au cours d’uneexpérience, h
peut légèrement
varier. On en tientcompte
sachant que le volume dansequel
tire latrompe
est 170 CM3(mesuré
dans uneexpérience
préalable).
,Dans les résultats
qui suivent,
tous les volumes gazeux sontexprimés
encm3,
à0~,
sous 760 mm demercure, et toutes les mesures sont ramenées à une durée de 1 heure.
3. Résultats des mesures. -
nlesure a
été f azte
avecl’hydrogène,
successivement auxtempératures 65S~,
5ÕOo, ~~0«,
9500 et 750°. 1~1500,
une seule mesure a été faite en 4heures,
mais le débit étantfaible,
le résultat est incertain.D’autre
part,
unegrande quantité d’hydrogène
a étéperdue
à la suite des 2 incidents suivants :1° Eclatement du caoutchouc de la
trompe
à eau :d’où
absorption
d’eau,
dans latrompe
à mercure et arrêt del’expérience.
2~
Rupture
d’un tube de latrompe
à chute sous les chocsrépétés
desgouttelettes
de mercure.C’est
pourquoi
aux deux dernièresexpériences,
9500et
ï~0~,
on n’a pu fairequ’une
seule mesure.Par
ailleurs,
lephénomène
de diffusion s’est montré trèsirrégulier.
Enparticulier,
une mesureayant
été tentée à 4000. la diffusion a peu à peucomplètement
cessé. Il a fallu réchauffer
jusqu’à
6U0° environ pour que,brusquement
la diffusion reprenne avec un débit trèssupérieur
au débit normal à60(1°;
puis petit
àpetit,
le débit est redevenu normal. J’ai observé trois foisun phénomène analogue,
et la deuxième fois il a fallu chaufferjusqu’à
715Ù pour que la diffusioncom-mence.
E
désigne
les nombrescorrespondant au gaz recueilli
dans leséprouvettes.
AI
désigne
les nombrescorrespondant
au volume de mercure introduit par S.Une deu.Tiènle sé1’ie de mesures a été
faite
avec le deutériul1l successivement auxtempératures 6500,
550o8500, 4500,
750,,,9500.
A une seule mesure en 6 h n’a pas donné de bons résultats.
A 5500
j’ai
fait deux mesures de 2 hchacune ;
à toutes les autrestempératures j’ai
fait 4 mesures d’une heure.L’eau lourde
employée
a été achetée commecorres-pondant
au titre deJ9,2
pour 100 de deutérium. Dansle but de vérifier que la
décomposition
de cette eau mefournissait bien un gaz à peu
près
pur, c’est-à-dire que laproportion
d’hydrogène
n’était pastrop
grande,
j’ai
procédé
comme suit :ayant
introduit 450 cm3 de deu-térium dansR,
j’ai
faitaussitôt unepremière
mesure à650°; puis ayant
tout diffusé à950°jusqu’àunrésidu
de 70CM3.
j’ai
fait de nouveau uae mesure à 650°. Je n’ai pas trouvé de différence certaine entre les deux me-sures à 6~0~ :3,8
cm3 avant la réduction devolume,
3,6
cm3après
la réduction devolume;
la dilférence est de l’ordre degrandeur
habituel.Voici les résultats obtenus au cours de cette série de
mesures :
Dans le but de -voir si l’état du
platine
n’avait paschangé
au cours des mesures,j’ai
fait une nouvelle série de flzesures avec à6.~Oo,
5000,
7500,
850°,
9~0~,
puis
de nouveao6~0~,
ces mesuresayant
des durées variables. Les résultats ont été les suivants :A
750°,
850o et950o,
on retrouve sensiblement les mêmes résultats que la 1re fois. Mais à et 5500 c’esttout différent. Comme le
phénomène
de diifusion a étécette fois
beaucoup
plus
régulier,
que lephénomène
debouchage
duplatine
ne s’est pasproduit,
pasplus
d’ail-leursqu’avecle
deutérium,
onpeut
penser que les résul-tats desdt-uxpremières
mesures, faites à 5~)0° et 6500 sont faux dufait que
leplatine n’avait
pas atteint un état biendéfini. En
conséquence, j’ai préféré
pourl’hydrogène
ordinairegarder
toute la 2e série due mesures.(’or1’espon-106
dant au deutérium. J’ai admis que la surface du tube
de
platine comprise
à l’intérieur dufour,
soit 33cm2,
était entièrement àlatempératurede
la soudure chaude ducouple,
cequi
est évidemment inexact. Aussi la courbe II est-ellesituée,
nettement au-dessous de la courbe. Mais onconstate qu’on peut la faire
sensiblement coïncider avec la courbe 1 par une translation de 70~ lelong
de l’axe destempératures,
cequi signifie
que latempérature
moyenne, aupoint
de vue de ladiffu-sion,
du tube deplatine,
était inférieure de 7U° environ à celle de la soudure chaude ducouple.
Mais cet écartnous
importe
peupuisque
nous avons en vue desmesures
comparatives;et
non pas absolues. Orlacourb eIl se déduit presque exactement de la courbe III eu
amplifiant
toutes les ordonnées de celle-ci dans le rap-4port
4/3.
Onpeut
donc en conclure que dans l’intervalle 3de
température
étudié,
la vitesse de diffusion du deuté-3rium est à toute
température
les 3
de celle de 4gène.
Cette différence semble insuffisante pourqu’on
puisse
en déduire unprocédé rapide
et efficace desépa-ration des 2
isotopes.
Fig. 4.
Courbe 1. - Les croix
correspondent aux résnllats de Lombard et Richardson. Les points ronds à centre blanc 80nt obtenus à
partir des croix de la courbe Il par une diminution des abscisses de 70°. Courbe If. - Les
points ronds à centre noir correspondent à la première série de mesures avec l’hydrogène.
Les croix correspondent à la deuxième série de mesures avec l’hydrogène.
Les points ronds à centre blanc sont obtenus à partir des croix de la courbe III en amplifiant les ordonnées dans le
rapport 4
Courbe Ill. - Les croixcorrespondent aux mesures faites avec le deutérium. Ce travail a été effectué à l’Institut du
radium,
aulaboratoire
Curie,
sous la direction de MonsieurDe-bierne. Je tiens à lui
exprimer
toute ma reconnaissance pour la bienveillante attention aveclaquelle
il a suivimes essais. Je remercie vivement Madame et Monsieur