HAL Id: jpa-00210701
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Submitted on 1 Jan 1988
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Etude par spectroscopie EXAFS au seuil K du cuivre des phases cristalline et colomnaire du stéarate de cuivre
H. Abied, D. Guillon, A. Skoulios, H. Dexpert, A.M. Giroud-Godquin, J.C.
Marchon
To cite this version:
H. Abied, D. Guillon, A. Skoulios, H. Dexpert, A.M. Giroud-Godquin, et al.. Etude par spectroscopie
EXAFS au seuil K du cuivre des phases cristalline et colomnaire du stéarate de cuivre. Journal de
Physique, 1988, 49 (2), pp.345-352. �10.1051/jphys:01988004902034500�. �jpa-00210701�
Etude par spectroscopie EXAFS au seuil K du cuivre des phases
cristalline et colomnaire du stéarate de cuivre
H. Abied (1), D. Guillon (1), A. Skoulios (1), H. Dexpert (2), A. M. Giroud-Godquin (3) et J. C.
Marchon (3)
(1) Institut Charles Sadron (CRM-EAHP), CNRS-ULP, 6 rue Boussingault, 67083 Strasbourg Cedex, France
(2) LURE, Bâtiment 209 D, Université Paris-Sud, 91405 Orsay Cedex, France
(3) Laboratoires de Chimie/Chimie de Coordination, Département de Recherche Fondamentale, Centre d’Etudes Nucléaires de Grenoble, 85X, 38041 Grenoble Cedex, France
(Reçu le 20 juillet 1987, accepté le 23 octobre 1987)
Résumé.
2014La spectroscopie EXAFS
auseuil K du cuivre
aété utilisée pour décrire l’environnement local des atomes de cuivre dans les phases cristalline et mésomorphe colomnaire du stéarate de cuivre. Dans les colonnes de la phase mésomorphe, les groupes polaires s’empilent de manière très régulière ; les molécules de
savon
y interviennent à l’état dimérisé, formant des complexes binucléaires de géométrie
«plan-carré »
commeà l’état cristallin. Les atomes de cuivre sont beaucoup plus proches entre
euxà l’intérieur d’un même dimère
(2,7 Å) qu’entre deux dimères successifs (3,2 Å) le long de l’axe des colonnes de la phase mésomorphe.
Abstract.
2014Copper-K edge EXAFS spectroscopy has been used to probe the local environment of copper atoms in the crystalline and columnar mesomorphic phases of copper stearate. In the columns of the
mesophase, polar groups
arestacked
one overthe other very regularly ; the soap molecules
aredimerized, and form binuclear complexes like in the crystalline state. The copper atoms
arecloser within
asingle dimer (2.7 Å) than between two successive dimers (3.2 Å) along the axis of the column in the mesophase.
Classification
Physics Abstracts
61.30
1. Introduction.
Les premi6res phases colomnaires thermotropes ont
6td mises en evidence avec les savons m6talliques
purs, il y a ddja une trentaine d’ann6es [1-6]. Leurs
structures cristallographiques étaient alors appel6es
« structures a « rubans » et structures a « cylin-
dres »
».Dans les mesophases a rubans, obtenues
avec des savons de metal alcalin [1-4], les groupes
polaires des molecules sont assembles de fagon compacte, quasi cristalline, dans des rubans de largeur finie et de longueur ind6finie. Les rubans sont disposes aux noeuds soit d’un reseau bidimen- sionnel rectangulaire centre, soit d’un reseau obli- que. Les chaines paraffiniques d6sordonn6es entou- rent les rubans et emplissent uniform6ment le reste de 1’espace. Dans les mesophases a cylindres, obte-
nues avec des savons de metal alcalino-terreux [5-6],
les groupes polaires sont 6galement arranges de far,on compacte dans des colonnes, suppos6es cylin-
driques par souci de simplification. Pour un cation donn6, l’invariance de la densit6 lin6aire de distribu- tion des molecules le long des colonnes en fonction de la longueur des chaines aliphatiques et de la temperature a ete interpretee comme une indication
de 1’arrangement ordonn6 des groupes polaires, lie a
la g6omdtrie de coordination des cations. Toutefois,
1’absence de donn6es ddtailldes de diffraction des rayons X et la m6connaissance de la stereochimie de coordination des ions mdtalliques, avait emp6ch6 jusqu’ici la determination de 1’arrangement exact
des groupes polaires au sein de colonnes.
Dans un travail pr6liminaire, la structure du
laurate de cuivre a ete 6tudide en fonction de la
temperature [7]. C’est ainsi qu’il a ete montre qu’au-
dessus de 107 °C, ce savon prdsentait une phase m6somorphe de structure colomnaire, tout comme
les savons de metal alcalino-terreux. Plus r6cem- ment, il a ete montre que cette mesophase colom-
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01988004902034500
346
naire existait aussi pour les savons de cuivre (II)
dont la chaine aliphatique comportait de 12 à
22 atomes de carbone [8].
Les complexes carboxyliques du cuivre (II) sont
bien connus pour exister sous forme binucldaire.
Pour des savons de cuivre a chaine paraffinique
courte (n -- 10) [9-12], des dtudes cristallographi-
ques avaient en effet montre qu’a 1’etat cristallin les groupes polaires des molecules s’organisent en complexes binucleaires, avec une gdom6trie de coor-
dination
«plan-carre
»pour l’ion cuivrique, similaire
a celle ddterminde pour 1’acetate de cuivre [13].
Cette geometrie de coordination est illustr6e schema-
tiquement dans la figure 1. Nous avons donc pense
tirer profit de cette connaissance d’une geometrie precise de coordination a 1’etat cristallin pour appro- fondir la structure interne des colonnes a 1’etat
mesomorphe, et rdallser, a 1’aide de la spectroscopie EXAFS, une 6tude beaucoup plus complete que dans le cas des m6taux alcalino-terreux decrits antdrieurement [5-6].
Fig. 1.
-Schema de la g6omdtrie de coordination
«plan-
carr6
»du
c0153urbinucl6aire des carboxylates de cuivre (II).
[Schematic of the
«square-plane
»coordination geometry of the binuclear
coreof copper (II) carboxylates.]
2. Dispositif experimental.
Nos experiences d’EXAFS ont ete rdalisdes au Laboratoire d’Utilisation du Rayonnement Electro- magn6tique de l’Universitd d’Orsay. Le principe de montage de la manipulation a ete d6crit en detail par ailleurs [14]. La source de lumière utilis6e est le
rayonnement synchrotron 6mis par 1’anneau de
stockage D.C.I., les conditions usuelles de fonction- nement etant 1,72 Gev, 200 mA. Un faisceau mono-
chromatique de rayons X est obtenu a 1’aide d’un cristal [220] type channel cut. L’absorption optique à
travers 1’echantillon est obtenue en mesurant l’inten-
site du faisceau avant (10) et apr6s (1 ) travers6e de 1’echantillon par des chambres a ionisation. Un ordinateur assure la rotation du monochromateur et le stockage des intensit6s Io et I.
Nous avons collect6 les spectres d’absorption de
deux 6chantillons, a savoir le stearate de cuivre :
designe dans la suite par Cu-18, et 1’acetate de cuivre
hydrate :
d6sign6 dans la suite par Cu-2. Etant donne le caractere 16g6rement pateux de la poudre cristalline de Cu-18 en particulier, nous n’avons pas r6ussi à obtenir des grains suffisamment petits et calibres
pour satisfaire par cette technique habituelle aux
exigences d’homogeneite et de faible epaisseur.
Nous avons alors decide d’utiliser des trames de
nylon tres fines (70 um d’6paisseur) dont les mailles
(20 * 20 um) ont ete combl6es par le produit à
6tudier. Quelques 6paisseurs de trame (de 3 a 8),
selon le pourcentage massique de cuivre present
dans le produit, ont suffi pour assurer une bonne
homogeneite de 1’echantillon. Ces feuilles de nylon
ainsi charg6es sont alors introduites dans une cellule
en nitrure de bore, elle-meme plac6e dans un four
chauff6 6lectriquement et dont la temperature, lue à
1’aide d’une sonde de platine, etait r6gul6e a 0,5 °C pres.
Le seuil d’absorption du cuivre pur etant situe à 8 979 eV, nous avons effectu6, sur nos 6chantillons,
un balayage en energie de 8 800 a 10 000 eV. Les spectres ont ete enregistr6s a 25 et 132 °C pour 1’acetate, et a 25 °C dans la phase cristalline et 150 °C dans la phase m6somorphe pour le stearate de cuivre.
3. M6thode d’analyse des donn6es exp6rimentales.
Les spectres EXAFS ont ete analyses selon un protocole d6sormais classique [14]. 11 consiste dans
un premier temps a ajuster 1’absorption avant le
seuil a une loi de type Victoreen, qui est ensuite extrapolde aux energies sup6rieures a 1’energie de
seuil. Le coefficient d’absorption atomique /io est
ensuite decrit de mani6re approch6e par une expres- sion polynomiale du second degr6, la structure fine
au-dela du seuil etant par suite normalis6e par
1’expression
oii k est le module du moment transfere au photo-
electron. Les oscillations parasites de grandes p6rio-
des par rapport a celles du signal EXAFS sont
61imin6es par un lissage multi-it6ratif. La transfor-
m6e de Fourier est effectu6e sur 600 eV, le signal
experimental etant pondere par un facteur en
k 3afin de compenser l’amortissement en energie du spectre EXAFS.
L’analyse fine des spectres EXAFS a ete ensuite effectu6e au moyen de la formule classique de
I’EXAFS [15-17] :
ou W j (k ) est un terme d’amortissement de type Debye-Waller du aux fluctuations cr des distances
interatomiques rj ; Lj (k) est un terme d’interaction du photoelectron avec les autres elements du solide et est associd au libre parcours moyen A (k ) du photoelectron ; fj(k) est l’amplitude de rdtrodiffu- sion du photoelectron par 1’atome retrodiffuseur j ;
qij(k) represente le d6phasage de la fonction d’onde
introduit par les potentiels de 1’atome central et de 1’atome rdtrodiffuseur. Les spectres EXAFS expdri-
mentaux obtenus avec le stearate de cuivre a 1’etat cristallin et a 1’etat mesomorphe ont alors ete ajustds
a la formule classique, en prenant pour valeur des
dephasages et amplitudes de rdtrodiffusion celles ddtermindes pour 1’acetate de cuivre a temperature
ambiante et a 132 °C respectivement. Dans le pro- gramme de calcul permettant 1’ajustement des cour-
bes th6oriques aux courbes experimentales, nous
avons fait varier simultan6ment les param6tres ajus-
tables : Nj, rj, aj ainsi que 1’ecart par rapport au seuil AEs, tenant ainsi compte des differences en
position du seuil d’absorption pouvant exister entre Fechantillon considere et la reference choisie.
4. R6sultats.
4.1 RAPPEL DE LA STRUCTURE DU COMPLEXE BINU-
CLTAIRE DE CUIVRE.
-Avant d’analyser en detail
1’environnement de 1’atome de cuivre dans les phases
cristalline et colomnaire du stearate de cuivre, il est
utile de rappeler la structure du c0153ur binucldaire des
carboxylates de cuivre (II) (voir Fig. 1) ddterminde
par diffraction des rayons X pour la premiere fois
par J. N. van Niekerk et al. [13] avec 1’acetate de cuivre hydrate, ou 1’atome de cuivre Cu est entoure de six proches voisins (Fig. 2) : les atomes d’oxygene
Fig. 2.
-Stdrdochimie des atomes voisins du cuivre dans 1’acetate de cuivre hydrate (selon Ref. [13]).
[Stereochemistry of the neighbouring atoms around copper in hydrated copper acetate (following Ref. [13]).]
O1, 02, 03 et 04 situds dans le plan equatorial appartiennent aux groupes carboxylates pontants, l’atome d’oxyg6ne axial 05 est celui d’une molecule
d’eau, et Cu’ est le second atome de cuivre du dim6re. Il existe un centre d’inversion au milieu du segment Cu-Cu’.
La meme structure binucldaire, a temperature ambiante, a ete trouvde depuis lors pour le cceur d’autres savons de cuivre anhydres a chaine paraffini-
que lineaire : Cu-n, avec n =,3, 4, 8 et 10 [9-12].
Dans ces composes anhydres, l’atome d’oxyg6ne, O5, appartient a un groupe carboxylate d’un complexe binucldaire immddiatement voisin. Un des traits principaux de la structure cristalline de ces
composes est donc 1’existence de chaines de dim6res.
Nous avons rapporte dans le tableau I les differentes valeurs des distances Cu-0 et Cu-Cu publi6es dans
la littdrature [9-13]. Notons tout de suite que la distance moyenne cuivre-oxygene calculde a partir
des cinq distances Cu-0 pour chacun des composes,
se situe autour de 2,02-2,03 A.
4.2 ENVIRONNEMENT LOCAL DE L’ATOME DE CUI- VRE DANS LA PHASE CRISTALLINE DU STEARATE, Cu-18.
-La pseudo-distribution radiale (correspon-
dant au module de la transformee de Fourier non
corrig6 des d6phasages expdrimentaux) autour de
Tableau I.
-Distances interatomiques (A) autour d’un atome de cuivre dans divers carboxylates binucléai-
res.
[Interatomic distances around the copper atom in various binuclear carboxylates.]
348
1’atome de cuivre dans la phase cristalline du stearate est representee sur la figure 3b. On y observe la
presence de trois pics principaux (Pl, P2 et P3)
centres a des valeurs de 1,49, 2,11 et 2,72 A. Les deux premiers pics, PI et P2, correspondent a ceux
observes (1,52 et 2,22 A) pour 1’acetate de cuivre à
temperature ambiante (Fig. 3a) ; le premier pic, Pi, centre a 1,52 A a ete attribud aux cinq atomes d’oxyg6ne entourant 1’atome de cuivre ; le second, P2, centre a 2,22 A a ete attribue au deuxi6me atome de cuivre a l’intdrieur du complexe binucl6aire. En tenant compte des donndes cristallographiques de
1’acetate de cuivre, qui montrent que la distance moyenne Cu-0 est de 2,02 A et la distance Cu-Cu est de 2,64 A, nous avons pu calculer, pour chaque
couche, les phases et les amplitudes de r6trodiffu-
sion, que nous avons transferees au cas du stearate dans la phase cristalline.
Fig. 3.
-Pseudo-distribution radiale autour de 1’atome de cuivre : a) dans Cu-2, H20 a 25 °C ; b) dans Cu-18 cristallin a 40 °C.
[Radial pseudo-distribution around the copper atom : a) in Cu-2, H20 at 25 °C ; b) in the crystalline phase of Cu-18 at
40 °C.] ]
Les spectres EXAFS filtrds pour les deux premi6-
res couches du stearate dans la phase cristalline sont
compares aux simulations theoriques effectuees avec
la formule g6n6rale de l’EXAFS dans la figure 4.
Les valeurs finales des param6tres ajustables du spectre thdorique qui simule le mieux le spectre
experimental sont rassembldes dans le tableau II.
Tableau II.
-Paramètres EXAFS obtenus pour la
figure 4 (Cu-18 cristallin ti 40 *C).
[EXAFS parameters obtained for figure 4 (Cu-18 crystalline at 40 °C).]
Fig. 4.
-Spectres EXAFS exp6rimentaux (trait pointiII6)
et calcules (trait continu) des premiere (a) et deuxieme (b) spheres de coordination du cuivre de Cu-18 cristallin à 40 °C.
[Experimental (dotted line) and calculated (solid line)
EXAFS spectra of the first (a) and second (b) coordination shells of the copper atom in the crystalline phase of Cu-18
at 40 °C.] ]
Etant donne la precision experimentale sur la
valeur de N qui se situe habituellement entre 10 et 20 %, il est clair d’apr6s le tableau II que dans la
phase cristalline du stearate de cuivre, un atome de
cuivre est entour6 de cinq atomes d’oxyg6ne a une
distance moyenne de 2,01 A, et d’un atome de
cuivre situe a une distance de 2,59 A. Ces r6sultats
sont en accord avec les donnees cristallographiques
que nous avons rapport6es plus haut pour certains
savons de cuivre a chaine paraffinique courte [9-12].
Ils confirment en fait 1’existence de complexes binucl6aires, dans la phase cristalline, pour les savons a chaine paraffinique longue, comme cela
avait ddja ete sugg6rd par des dtudes magndtiques
rdalisdes sur une sdrie de savons de cuivre [18-21].
Le troisi6me pic, P3, observe dans la pseudo-
distribution radiale du stearate de cuivre (Fig. 3b) et
centre a une valeur de 2,72 A peut etre attribud à 1’atome de cuivre le plus proche du complexe
binucl6aire voisin dans la chaine des dim6res. On
pourrait penser que les atomes de carbone des groupes carboxylates interviennent au niveau de cette troisieme couche, mais par suite de leur faible
masse atomique, leur rdtrodiffusion est ndgligeable
devant celle d’un atome de cuivre localise a une
distance similaire. Les ddplacements de pic, ddter-
mines prdcddemment entre la pseudo-distribution
radiale de la figure 3b et la distribution radiale rdelle, etant de 0,52 A pour la distance Cu-0 et de
0,48 A pour la distance Cu-Cu intra-dim6re, on peut estimer que la distance Cu-Cu inter-dim6re est de l’ordre de 3,20 A.
4.3 ENVIRONNEMENT LOCAL DE L’ATOME DE CUI- VRE DANS LA PHASE COLOMNAIRE DU STTA- RATE, Cu-18.
-Les spectres EXAFS du stearate de cuivre dans la phase colomnaire ayant été enregistrds
a 150°C, nous avons choisi d’utiliser comme échan- tillon mod6le l’acétate de cuivre portd a une tempd-
rature de 132 °C, ceci afin de reduire au minimum les differences d’agitation thermique des atomes
entre les deux composds. Les pseudo-distributions
radiales autour de l’atome de cuivre pour ces deux
composes sont reprdsentdes dans la figure 5.
Chacune des deux pseudo-distributions radiales prdsente trois pics principaux. Comme c’dtait ddja le
cas dans la phase cristalline, le premier pic, Pi,
centre a 1,51 A pour 1’acetate et a 1,57 A pour le stearate, est attribud aux atomes d’oxygene ; le deuxi6me, P2, centre a 2,10 A pour 1’acetate et à
2,16 A pour le stearate, est du a 1’atome de cuivre à l’intdrieur d’un meme dimere ; enfin, le troisi6me, P3, centre a 2,75 A pour 1’acetate et a 2,68 A pour le
stearate, provient de 1’atome de cuivre du dimere immddiatement voisin. Bien qu’aucune 6tude cristal- lographique fine de 1’acetate de cuivre a temperature
elevee n’ait été publide, nous avons utilise le spectre
EXAFS de 1’acetate a 132 °C pour calculer les
Fig. 5.
-Pseudo-distribution radiale autour de I’atome de cuivre : a) acdtate a 132 °C ; b) Cu-18 colomnaire à 150 °C.
[Radial pseudo-distribution around the copper atom :
a) acetate at 132 °C ; b) Cu-18 in the columnar mesophase
at 150 °C.]
phases et les amplitudes de rdtrodiffusion. Pour cela,
nous avons considere que la structure a 132 °C etait tres voisine de celle rapportde dans la litterature à
temperature ambiante ; la distance moyenne Cu-0 a
ete fixde a 2,02 A, celle Cu-Cu intra-dimere à
2,64 A, et celle Cu-Cu inter-dimere a 3,22 A. Les spectres EXAFS filtrds pour les trois premi6res
couches du stearate dans la phase colomnaire sont
compares aux simulations th6oriques effectu6es avec
la formule gdndrale de I’EXAFS dans la figure 6.
Les valeurs finales des param6tres calcul6s sont
rassembldes dans le tableau III.
4.4 STRUCTURE FINE DE LA PHASE COLOMNAIRE.
-
D’apr6s ces valeurs, il est clair que dans la phase
colomnaire du stearate de cuivre, chaque atome de
cuivre est entour6 de cinq atomes d’oxygene a une
350
Tableau III.
-Paramètres EXAFS obtenus pour la
figure 6 (Cu-18 colomnaire a 150 °C).
[EXAFS parameters obtained for figure 6 (Cu-18
columnar at 150 °C).] ]
distance moyenne de 2,05 A, d’un atome de cuivre
situe a une distance de 2,68 A a l’intdrieur du
dim6re, et d’un atome de cuivre situe a une distance de 3,20 A appartenant au dim6re imm6diatement voisin. Ces rdsultats indiquent que les complexes
binucldaires existent toujours a temperature dlevde
dans la phase colomnaire, et par consequent que les colonnes de la phase mdsomorphe sont bien consti- tudes de 1’empilement de tels complexes. Cette
conclusion est en accord avec le comportement
magn6tique de la phase colomnaire, qui suit une loi
de Bleaney-Bowers [21]. Cependant, la somme des
deux distances Cu-Cu trouvdes par EXAFS est
supdrieure a la distance de repetition le long de 1’axe
de la colonne determinee par ailleurs au moyen de la diffraction X et dilatomdtrie (4,5-4,6 A) [8, 22]. 11 en
r6sulte que la chaine des atomes mdtalliques dans la
colonne ne peut pas etre strictement lindaire.
Comme le montre la figure 7a, la periode d’empile-
ment devrait alors etre dgale a 5,86 A, alors qu’elle
est en realite de 4,6 A environ.
Deux modes d’empilement de dimeres semblent etre a priori compatibles avec 1’ensemble des don- n6es structurales. Dans l’un (Fig. 7b), 1’axe Cu-Cu
de chaque dimere est incline par rapport a 1’axe de la colonne, et la chaine des atomes de cuivre est en
dents de scie. Dans l’autre, l’axe Cu-Cu est parallele
a l’ axe de la colonne, mais les dimères sont alternati- vement d6cal6s par rapport a celui-ci, donnant une
chaine d’atomes de cuivre en cr6neaux (Fig. 7c).
L’examen des distances interatomiques entre dimè-
res indique que le modèle en dents de scie est à
rejeter, car il implique des distances de contact entre atomes d’oxygène infdrieures aux distances de Van der Waals.
En definitive, le seul mod6le compatible avec
toutes les donn6es experimentales est celui qui est
sch6matis6 dans la figure 7c. Le ddcalage des dimeres par rapport a l’ axe de la colonne peut d’ailleurs se
faire tour a tour dans quatre directions perpendicu-
laires (par exemple « nord-est-sud-ouest » ou
«
nord-ouest-sud-est »). La structure de la colonne serait alors de type helicoidal, ce qui serait compati-
ble avec la sym6trie hexagonale de la phase coiom-
naire.
Fig. 6.
-Spectres EXAFS expdrimentaux (trait pointilld)
et calculds (trait continu) des premiere (a), deuxieme (b)
et troisieme (c) spheres de coordination du cuivre de Cu- 18 colomnaire a 150 °C.
[Experimental (dotted line) and calculated (solid line)
EXAFS spectra of the first (a), second (b) and third (c)
coordination shells of the copper in the columnar mesoph-
ase