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Université Larbi Ben M’hidi Oum El Bouaghi
Faculté Des Sciences Exactes Et Des Sciences De La Nature Et De La Vie
Département Des Sciences De La Matière
2019-2020
TP Chimie de surface
Brochure de Travaux Pratique 3eme année Chimie Fondamentale
2019-2020
Responsable : Dr , ZENDAOUI .S.M
SOMMAIRE
TP-N° 01
Adsorption de l’acide acétique sur du charbon actif.
1- Cinétique d’adsorption
TP-N°02
Adsorption de l’acide acétique sur du charbon actif.
2-Isotherme d’adsorption.
TP-N°03
Détermination de la surface spécifique du charbon actif
Méthode en solution
TP-N°04
Mise en évidence de la tension de surface de quelques liquides purs
TP-N°05
Mesure de la viscosité dynamique d’un liquide
/ CHIM 40
Fondamentale
himie
C
Licence
eme
3
SM /
épartement
D
1
TP N° 1 : Adsorption de l’acide acétique sur du charbon actif.
(Cinétique d’adsorption)
I- Adsorption
L'adsorption, à ne pas confondre avec l'absorption, est un phénomène de surface par lequel
des molécules de gaz ou de liquides se fixent sur les surfaces solides des adsorbants. Les molécules ainsi
adsorbées constituant l'adsorbat. Si les conditions énergétiques ou cinétiques permettent à la molécule de
pénétrer au sein de la phase adsorbante, il y a absorption.
II- Adsorbants
- Les adsorbants industriels ont généralement des surfaces spécifiques au-delà de 100 m2
/g,
atteignant même quelques milliers de m2
/g, les plus courants sont: les charbons actifs, les zéolites, les gels
de silice et les alumines activées.
- Les charbons actifs sont de loin les adsorbants les plus fabriqués et utilisés industriellement. Ils
peuvent être obtenus à partir d’un grand nombre de matériaux carbonés (bois, charbon, noix de coco,
résidus pétroliers, etc.), par des processus de carbonisation suivis des processus d’activation dûment
contrôlés.
- Les charbons actifs sont composés de micro-cristallites élémentaires de graphite qui sont
assemblées avec une orientation aléatoire. La surface des charbons actifs est essentiellement non polaire,
même si une légère polarité peut se produire par une oxydation de surface. Ils adsorbent de préférence les
composés organiques non ou faiblement polaires.
- Ils sont fréquemment utilisés pour la récupération des vapeurs de solvants et d'hydrocarbures, la
décoloration de sucres, la purification d'eau, l’élimination d'odeur.
III- Cinétique d’adsorption
L’adsorption à l’interface liquide/solide, avec une réaction localisée dans des pores (adsorbants,
échangeurs d’ions, catalyseurs, …), comprend cinétiquement trois étapes importantes (figure ci-dessous),
si on exclut le transport du soluté au sein de la solution notamment quand le système est agité :
a- la diffusion à travers le film entourant les particules solides d’adsorbant, dite «diffusion externe »,
b- la diffusion dans les pores de l’adsorbant, dite « diffusion intra-particulaire »,
c- la réaction d’adsorption (et de désorption) proprement dite « réaction de surface ».
Une (ou plusieurs) de ces étapes peut être cinétiquement déterminante (ou limitante). La désorption,
quand elle a lieu significativement, présente les mêmes étapes dans l’ordre inverse. Plusieurs modèles
sont donnés dans la littérature pour décrire la cinétique d’adsorption.
Figure-1 : Etape de transfert de masse pour l'adsorption sur charbon actif
b
a
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IV- Partie expérimentale
Les différents tests pour l’étude de la cinétique d’adsorption, seront réalises en batch selon le
protocole, suivant : La solution de contacte contenant le composé étudié a une concentration initiale
constante C0, pour tous les tests, cette solution va être mélangé à des masses identiques de charbon actif
à différentes périodes (le temps), la courbes représentative de la cinétique d’adsorption est une fonction
sous la forme qt=X/m=f(t). Les cinétiques d'adsorption sont liées d'une part aux réactions d'adsorption et
d'autre part à la diffusion externe des espèces dans la solution ou à la diffusion interne. Les expériences
sous agitation, permettent de négliger le phénomène de diffusion externe. Différents modèles sont
peuvent rendre compte des cinétiques d’adsorption.
Le temps d’équilibre correspond au temps nécessaire à l’établissement de l’équilibre d’adsorption
(dynamique), entre les molécules adsorbée sur le solide et celles restant en solution. Ce temps est très
important, il permet de définir la durée des tests précédents par une correcte mesure de la concentration
Ce et dés lors qu’on veut utiliser le système à plus grande échelle (industriel).
IV-1 Mode opératoire
a/ Produits
- Acide acétique en solution de concentration initiale (approximative) C0 = 0,25 mol.l-1
- Charbon actif en poudre.
- Solution de soude à 0,1 mol.l-1
- Indicateur coloré phénophtaléine.
- éthanol.
b/ Dosage de l’acide acétique (l’acide éthanoïque)
L'acide éthanoïque est un acide faible de formule CH3COOH. Il réagit avec les ions hydroxydes
pour donner l'ion éthanoate (CH3COO-
) qui est une base faible et de l'eau suivant l'équation :
CH3COOH + Na+
OH-
= CH3COO -
Na+
+ H2O
En présence d’indicateur coloré, tel que la phénophtaléine, l'acide acétique peut être dosé par la soude. Au
point équivalent la concentration de l'acide est : Nacide.Vacide = Nbase.Vbase.
c/ Manipulation
 Dans sept béchers (fioles conique), on met dans chacun (voir tableau-1) :
- Une quantité pesée de charbon actif (constante) m= 1.25 g.
- Un volume (V=100ml) de solution d'acide acétique de concentration initiale C0, préalablement dosée.
- Ensuite, tous ces béchers sont fermés et placés en continu sous agitation, pendant des durées variables,
par exemple un bêcher pendant 5 minutes, un deuxième pendant 15 minutes, etc.
 Séparation et filtration : A l'issue de ce temps de contacte entre solution d'acide acétique et charbon
actif, on sépare ce solide du liquide par filtration. Ensuite on détermine de nouveau la concentration
résiduelle d'acide acétique de Cr dans le liquide claire (filtré).
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Dosage:
- Les solutions de l'acide acétique (liquide claire) y compris la solution initiale C0 sont dosées.
- A l'aide d'une pipette en prends un volume de la solution acide Va= 5 ml, on lui ajoute 4 à 5 gouttes
de phénophtaléine (la solution est incolore), on titre au moyen de la solution de soude à 0,1 mol.l-1
jusqu'à
l'obtention de la coloration rose pâle. Vb est le volume chuté de la soude.
L’exploitation de résultats :
Calcul :
La détermination de la quantité d'acide acétique adsorbée par unité de masse de solide est donnée par:
qt : quantité adsorbée du composé étudié par gramme de charbon actif (mg/g ou mol/g).
X : quantité adsorbée du composé étudié (mg ou mol). m : masse du charbon actif en gramme.
C0: concentration initiale du composé étudié (mol/l ou mg/l). Cr: Concentration résiduelle
V : le volume de la solution de l’acide acétique (solution de contacte).
Courbe : la courbe représentative de la cinétique d’adsorption est une fonction sous la forme
qt=X/m=f(t).
Tableau-1 : Conditions de travail.
Concentration initiale d’acide
acétique [C0 en (mol.l-1
)]
(approximative)
Volume de la solution de
l’acide acétique [V en (ml)]
Masse du charbon actif
[m en (g)]
Temps de contacte solution /
charbon actif [ t en (min)]
0.25 100 1.25 5, 15, 30, 45, 60, 90, 120
IV-2 Questions :
-Tracer la courbe de la cinétique d’adsorption qt=X/m=f(t).
-Déterminer le temps d'équilibre.
-Proposer un modèle (mécanisme) est donnes dans la littérature pour décrire le phénomène adsorption
cinétique (Les zéolites, Les gels de silice et Les alumines activées).
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Département SM /
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1
TP N° 2 : Adsorption de l’acide acétique sur du charbon actif.
2-Isotherme d’adsorption.
1- Isotherme d’adsorption
La capacité des adsorbants à retenir différents constituants d’un mélange constituent le facteur
le plus déterminant pour les performances de la majorité des procédés d'adsorption. Il est par
conséquent essentiel de bien connaître les propriétés d’équilibre adsorbat-adsorbant pour pouvoir
concevoir et dimensionner correctement les procédés d’adsorption. Les quantités adsorbées à
l’équilibre pour un système adsorbat–adsorbant sont généralement caractérisées par des isothermes
d’adsorption.
2- Les modèles d’adsorption
Isotherme de Langmuir Isotherme de Freundlich
qe= = qmax
qe = : Quantité de soluté adsorbée par unité de masse de
l’adsorbant (mg/g ou mol/g).
qmax: Quantité maximale adsorbée par unité de masse
d’adsorbant
X : Quantité adsorbée.
m : Masse de l’adsorbant.
K : Constante d’équilibre thermodynamique.
Ce: Concentration résiduelle du soluté à l’équilibre.
qe = =K
qe = : Quantité de soluté adsorbée par unité de masse de
l’adsorbant (mg/g ou mol/g).
K, n : Constantes positifs de Freundlich, ils dépendent
des caractéristiques de l’adsorbat et de l’adsorbant
concernés, fréquemment n≤1.
Ce : Concentration résiduelle de l’adsorbat à l’équilibre
(mg/l ou mol/l).
3- Partie expérimentale
Pour l’établissement des isothermes d’adsorptions q=X/m=f(Ce) : il y a deux techniques ; la
première consiste à prendre des solutions de même concentration initiale C0 du composé étudié,
mélangées à des masses variables du solide (adsorbant) ; la deuxième technique, consiste à prendre
des masses similaire de l’adsorbant pour tous les tests, mélangées à des solutions de concentration
initiale C0 variables du composé étudié. Ces essais (pour les deux techniques) sont réalisés durant un
temps de contact déterminé, qui correspond au temps nécessaire à l’établissement de l’équilibre
d’adsorption (dynamique), entre les molécules adsorbées sur le solide et celles restant en solution. Ce
temps est très important, il permet de définir la durée des tests réalisés, par une correcte mesure de la
concentration Ce et dés lors qu’on veut utiliser le système à plus grande échelle (industriel).
3-1 Technique opératoire.
a/- Produits
- Acide acétique en solution de concentration initiale variable (voir tableau).
- Charbon actif.
- Solution de soude à 0,1 mol.l-1
- Indicateur coloré phénophtaléine.
- éthanol.
b/ Dosage de l’acide acétique (Principe)
L'acide éthanoïque est un acide faible de formule CH3COOH. Il réagit avec les ions
hydroxydes pour donner l'ion éthanoate (CH3COO-
) qui est une base faible et de l'eau suivant
l'équation :
CH3COOH + Na+
OH-
= CH3COO -
Na+
+ H2O
En présence d’indicateur coloré, tel que la phénophtaléine, l'acide acétique peut être dosé par la soude.
Au point équivalent la concentration de l'acide est : Cacide.Vacide = Cbase.Vbase
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Département SM /
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c/ Manipulation
Les tests d’adsorption, seront réalises en batch selon le protocole, suivant (voir tableau)
 Dans huit béchers (fioles conique), on met dans chacun :
-Une quantité pesée de charbon actif m( variable),
-un volume (V=100ml) de solution d'acide acétique de concentration initiale C0 (Constante),
préalablement dosée,
-ensuite, ces huit béchers sont fermés et placés en continu sous agitation, pendant 45 min.
 Séparation et filtration : A l'issue de ce temps de contacte entre solution d'acide acétique et le
charbon actif, on sépare ce solide du liquide par filtration. Ensuite on détermine de nouveau la
concentration de l'acide acétique Ce dans le liquide claire (filtré).
 Dosage:
- Les solutions de l'acide acétique (liquide claire) y compris la solution initiale C0 sont dosées.
- A l'aide d'une pipette en prends un volume de la solution acide Vacide= 5 ml, on lui ajoute 5 à 6
gouttes de phénophtaléine (la solution est incolore) et on titre au moyen de la solution de soude à 0,1
mol.l-1
jusqu'à l'obtention de la coloration rose pâle. Vbase est le volume chuté de la soude.
d/ Calcul :
La détermination de la quantité d'acide acétique adsorbée par unité de masse de solide est donnée par:
X : quantité adsorbée du composé étudié (mg ou mol), m : masse du charbon actif en gramme, V : Volume de la solution
de l’acide acétique, C0:concentration initiale du composé étudié (mol/l ou mg/l), Ce: Concentration à l’équilibre.
Tableau : Conditions de travail.
Concentration initiale
d’acide acétique C0 (mol.l-1
)
(approximative) (constant)
Volume de la solution de
l’acide acétique V (ml)
Masse du charbon actif
m (g) (variables)
Temps de contacte
solution / charbon actif
t (min)
1- 0,3
2- 0,3
3- 0,3
4- 0,3
5- 0,3
6- 0,3
7- 0,3
8- 0,3
100
100
100
100
100
100
100
100
1,00
1,75
2,50
3,25
4,00
4,75
5,50
6,25
45
45
45
45
45
45
45
45
*Il est important de tenir compte de l’acidité du charbon actif.
3-2 Questions :
- Tracer l’isotherme X/m=f(Ce).
- Appliquer l’isotherme de Langmuir et l’isotherme de Freundlich pour cette expérience. Quel est le
modèle le plus approprié. Discuter de l'utilité de ces modèles et de leurs limites.
- Donner un mécanisme pour cette adsorption.
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TP N° 3
Détermination de la surface spécifique du charbon actif
Méthode en solution
1. Surface spécifique
La connaissance de l’aire massique d’un échantillon appelé surface spécifique, présentent une grande
importance en physicochimie, notamment dans les domaines de la catalyse, de l’adsorption et de la
séparation des phases gazeuses ou liquides. La surface spécifique est une donnée essentielle de la
caractérisation des solides finement divisés et des matériaux poreux, en effet elle est reliée directement à la
réactivité du solide. Plusieurs méthodes faisant appel à l’adsorption ont été conçues pour la détermination de
la surface spécifique. Le choix du mode de mesure de la surface spécifique dépend de certaines
caractéristiques de l’échantillon : l’aspect poudre ou corps solide, la géométrie, la valeur de la surface
spécifique faible (surface < 10 m².g-1
) ou élevé (surface > 100 m².g-1
). Il est indispensable que la surface
spécifique ne soit modifiée par la préparation, avant ou pendant la mesure par les moyens mis en œuvre,
pour l’évaluer.
Parmi ces méthodes :
- Méthode de B.E.T (largement utilisée) basée sur la théorie de Brunauer, Emmet et Teller. Elle repose
sur l’adsorption d'un gaz sur un solide en multicouche où chacune des couches obéit à la théorie de
Langmuir.
- Méthode d’adsorption en solution, méthode simple et rapide, elle est utilisée lorsque l’adsorbat ou
l’adsorbant risque de se décomposé sous l’effet de la température. Elle est aussi utilisée pour la
détermination du pouvoir d’adsorption du solide, tel que les sols, les textiles …etc. La méthode consiste à
déterminer l’isotherme d’adsorption on immergeant sous agitation le matériau dans la solution de l’adsorbat.
Les quantités adsorbées sont ensuite portées en fonction des concentrations (à l’équilibre); quand la quantité
finale adsorbée ne varie plus avec la concentration (partie horizontale), le recouvrement maximal de la
monocouche est atteint, ce qui permet de déduire la quantité adsorbée relative à la monocouche.
La quantité maximale adsorbée en monocouche est déterminée par les modèles d’adsorption théoriques tel
que le modèle de Langmuir et le modèle de Freundlich. La surface spécifique est ensuite calculée à partir de
l’équation suivante :
=
qmax : Quantité maximale adsorbée par unité de masse d’adsorbant, am : l’aire moléculaire en m², N : le nombre d’Avogadro et
M : la masse molaire.
Parmi les adsorbats utilises on peut citer: - l’iode (I2) dosé par Iodométrie,
- les acides acétique, stéarique et benzoïque dosés par acidimétrie,
- et le bleu de méthylène (BM) dont la molécule s'adsorbe sur les surfaces des particules minérales et
organiques. Ce composé est dosé en solution par colorimétrie. La masse moléculaire MBM =319,852.10-3
kg.mol-1, l’aire moléculaire am= 119.10-20
m²
2- Technique opératoire.
2.1- Produits
- Solution de bleu de méthylène de concentration initiale constante (voir tableau-2).
- Charbon actif en poudre.
2.2. Dosage du bleu de méthylène (spectrophotométrie)
Le dosage en spectroscopie UV- visible, nécessite au préalable la réalisation d’une expérience qui
consiste à mesurer la densité optique (D.O) ou absorbance (A) d’une série de solutions de concentrations
connus appelées solutions étalons, qui permettront ensuite le traçage de la courbe ou la droite d’étalonnage
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2
A =f(C). Cette courbe servira à déterminer la concentration des solutions inconnues à partir des mesures de
l'absorbance A. Selon la loi de Lambert-Beer:
A= LC
C : Concentration du soluté dans la solution dosée (mg/l ou mol/l), L : Longueur du chemin optique (cm), : Coefficient d’adsorption
molaire (ou coefficient d'extinction molaire exprimée en L·mol−1
·cm−1
).
Etablissement de la courbe d'étalonnage : le dosage du bleu de méthylène est réalisé par
spectrophotométrie selon les étapes suivantes :
- Détermination de la longueur d’onde maximale (λmax = 660 nm), elle est choisie en plus d’être la longueur
d’onde qui permet le maximum d’absorbance, d’être la longueur d’onde qui permet le dosage du composé
voulu en évitant les interférences possible.
- La concentration de la solution étalon mère du bleu de méthylène est 200 mg/l.
- Les solutions filles étalons sont préparées à partir de la solution mère de 200 mg/l de bleu de méthylène
dans des fioles jaugées de 200 ml, voir le tableau suivant:
Tableau -1 : Courbe d'étalonnage
Solution fille N° Blanc 01 02 03 04 05
Volume de la solution mère 0 1 3 7 8 10
Eau distillée (pour Ajuster avec à 200ml) 200 199 197 193 192 190
Concentration en BM (mg/l) 0 1 3 7 8 10
Absorbance A
- La courbe d'étalonnage est tracée à partir de ces mesures (Tableau-1), en portant l’Absorbance A= f(C).
2.3. Manipulation
* Dans sept béchers (fioles conique), on met dans chacun (voir tableau-2) :
- une quantité pesée de charbon actif m (variable),
- un volume (V=200ml) de solution de bleu de méthylène de concentration initiale (constante) C0
préalablement dosée par spectrophotométrie,
- ensuite, ils sont fermés et placés en continu sous agitation, pendant 01H 30 min.
* Séparation et filtration : A l'issue de ce temps de contacte entre la solution de bleu de méthylène et le
charbon actif, on sépare ce solide du liquide par filtration à 0,45µm (millipore). Ensuite on détermine de
nouveau la concentration du bleu de méthylène Ce (par spectrophotométrie) dans le liquide claire (filtré).
Tableau-2 : Conditions de travail.
Concentration initiale de bleu
de méthylène C0 (mg.l-1
)
(approximative)
Volume de la solution de
du bleu de méthylène
V (ml)
Masse du charbon actif
(sur balance analytique)
m (g)
Temps de contacte
solution / charbon actif t
(min)
1. 100,0
2. 100,0
3. 100,0
4. 100,0
5. 100,0
6. 100,0
7. 100,0
8. 100,0
100
100
100
100
100
100
100
100
0,050
0,100
0,125
0,150
0,175
0,200
0,225
0,250
90
90
90
90
90
90
90
90
NB : Pour faire des mesures par spectrophotométrie, les solutions de BM doivent être diluées.
2.4. Questions
1- Tracer l’isotherme q=X/m=f(Ce).
2- Appliquer l’isotherme de Langmuir et l’isotherme de Freundlich pour cette expérience.
3- Quel est le modèle le plus approprié.
4- Calculer la surface spécifique du charbon actif utilisé.
5- La molécule de BM est-elle approprie pour mesurée la surface spécifique du charbon actif ?
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1
TP N° 4
Mesure de la tension superficielle de quelques liquides par l’utilisation de la
méthode d’arrachement
1- Définitions :
-La tension superficielle est un phénomène physico-chimique lié aux interactions
moléculaires d'un fluide. Elle résulte de l'augmentation de l'énergie à l'interface entre deux fluides. Le
système tend vers un équilibre qui correspond à la configuration de plus basse énergie, il modifie donc
sa géométrie pour diminuer l'aire de cette interface. La force qui maintient le système dans cette
configuration est la tension superficielle.
-Une conséquence est que pour augmenter l'aire de l'interface, il faut appliquer une force
suffisante, sinon le système reste dans sa configuration de surface minimale. Cet effet permet par
exemple à certains insectes de marcher sur l'eau, à un objet léger de se maintenir à la surface d'un
liquide, à la rosée de ne pas s'étaler sur les pétales de fleurs, et explique la capillarité.
2- But du travail
. Mesure de la tension superficielle de quelques liquides (eau pure, éthanol, etc.).
. Comparaison des valeurs des coefficients de la tension superficielle des liquides choisis.
3- Principes
L’étude des phénomènes de surface revêt une importance particulière en physique puisque tout corps
interagit avec le milieu ambiant à travers la surface qui le délimite. Dans le cas d’un liquide, les forces
intermoléculaires de type de Van Der Waals qui s’exercent sur une molécule (A) qui se situe à
l’intérieur de ce liquide proviennent d’un ensemble d’autres molécules et se compensent par symétrie.
La résultante de ces forces est nulle. (Figure 1)
Par contre, la molécule (B) qui se trouve à l’interface liquide- air est soumise aux forces qui ont
comme origine l’effet de la moitié de molécules du liquide (l’effet des molécules de l’air est
négligeable). Ainsi, la résultante des forces exercées sur les molécules de surface est orientée vers
l’intérieur du liquide. Ces forces appelées forces de tensions superficielles ont pour origine
l’attraction moléculaire due à la polarité des molécules de certains liquides. Les molécules de la
couche superficielle tendent à avoir tendance à comprimer celles situées à l’intérieur du liquide qui
réagissent pour stabiliser sa surface libre.
Donc, ce phénomène se traduit par l’apparition d’une tension de surface (dite aussi tension
superficielle) qui existe à l’interface qui sépare un liquide d’un autre objet. La tension superficielle
d’un liquide, notée γ gamma, est mesurée par le rapport (quotient) de la norme de la force de tension
superficielle (F) par la longueur (L) sur laquelle elle s’exerce.
On écrit donc :
γ = F/L
La force (F) est mesurée en Newton, l’unité de mesure de la longueur (L) est le mètre et L’unité de
mesure de la tension superficielle est Newton/mètre (N/m).
Figure 1
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3eme
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Département SM
2
N.B :
- La tension superficielle dépend du liquide, du milieu qui surmonte sa surface libre et de la
température. Si le fluide qui surmonte un liquide donné est un gaz, la variation de la tension
superficielle de ce liquide est négligeable. Cependant, si ce fluide est un liquide, la valeur de la tension
superficielle (γ) de celui- ci change sensiblement.
- Dans le cas de contact d’un objet solide avec la surface libre d’un liquide, la longueur (L) dépend de
l’objet en contact avec le liquide concerné. Dans ce cas, l’expression de la tension superficielle est :
γ = F/2L (lame de longueur L et d’épaisseur négligeable) ; γ = F/2πr (pour un anneau de rayon r)
4- Unité de mesure de la tension superficielle
- L'unité de mesure de la tension superficielle est le newton par mètre (N.m-1
) qui est équivalent aux
joules par mètre carré (J.m-2
) qui est l'unité d'énergie de surface ou (1 dyn·cm–1
= 1 mN·m–1
).
5- Pourquoi mesurer la tension superficielle ?
- Pour connaître la propreté de votre matériau.
- Pour savoir si votre matériau est imprimable (ou l'inverse).
- Pour savoir s'il a été traité Plasma.
6- Domaine d’application
- Le cas des matériaux solides.
- La cinétique des réactions et la catalyse.
- Les phénomènes de corrosion.
- Le frittage et le mouillage des liquides par les solides.
- Les industries du plastique, de la céramique ......etc. Figure 2
Remarque
Il existe un très grand nombre de méthodes pour la détermination de la tension superficielle des
liquides, nous ne présentons ici que les méthodes d’arrachement.
7- Les méthodes d’arrachement
Dans ces méthodes, on mesure la force nécessaire pour arracher un anneau ou une plaque
placée (lame) sur la surface d’un liquide. Quand on lève l’objet à arracher, on soulève une certaine
quantité de liquide qui dépend de la forme et de la nature de l’objet ainsi que de la masse volumique et
de la tension superficielle du liquide étudié. On distingue deux méthodes :
8- Partie expérimentale
8.1 Manipulation
Le principe de la méthode d’arrachement consiste à la mesure, avec un dynamomètre de torsion, la
force qui s’exerce sur une lame en verre lorsque cette lame affleure (touche légèrement) la surface
libre d’un liquide. On constate que la balance perd son équilibre. Ce fait s’explique par la force (F)
appliquée par le liquide sur la lame en verre (figure 3). Cette force se dirige vers le bas et correspond à
l’expression : F= 2Lγ cos θ
Figure 3
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3
En considérant que les liquides utilisés sont parfaitement mouillants, l’angle de raccordement (contact)
du liquide sur la lame est nul : θ = 0°, cos θ = 1
Donc : F= 2Lγ et γ = F/2L
Les lames à utiliser dans ce travail ont une langueur L= ... mm et une épaisseur négligeable. La mesure
de la valeur de la force de tension (F) se fait par la déduction de la force équivalente nécessaire à
appliquer par le biais du dynamomètre à torsion pour arracher la lame du liquide. Donc, à partir du
repérage de la valeur de cette force à l’instant d’arrachement de la lame, on calcule le coefficient de
tension superficielle (γ) des liquides choisis.
Pratiquement. Avant chaque mesure, nettoyez la lame en verre à l’alcool afin d’éliminer les impuretés,
- Essuyez la lame en utilisant du papier hygiénique,
- Réglez l’aiguille du dynamomètre de torsion sur l’indice « zéro »,
- Montez le liquide qui se trouve dans le cristallisoir jusqu’à effleurement. La lame sera attirée vers le
liquide. Pour rétablir l’équilibre, augmentez la valeur de la torsion du fil du dynamomètre et notez,
avec précision, la valeur qui correspond à l’arrachement de la lame. L’intensité de la force appliquée
(F) est donnée en (mN). Pour chaque liquide, faites 3 mesures
Mettez les valeurs obtenues dans le tableau suivant :
F1 (mN) F2 (mN) F3 (mN) F moy (mN) γ (N/m)
Eau pure
Eau+ détergent
Alcool
Vinaigre
8.2- Questions
1- Calculez la valeur de la force moyenne et le coefficient de la tension superficielle de chaque liquide.
2- Comparez entre les valeurs des tensions superficielles obtenues.
3- Expliquez les différences constatables entre les valeurs données par la littérature (livres, revues,
etc.) et celles que vous aviez obtenu.
4- De point de vu microscopique, comparer et expliquer vos résultats
5- Calculer l’erreur sur la mesure de la tension superficielle par rapport aux valeurs données dans le
tableau suivant à 20°C. Expliquer ?
6- Dans les quartes expériences réalisées, que remarquer vous sur le dynamomètre?
7- Donnez la conclusion de ce travail
Tableau : Tension superficielle pour différents liquides en contact avec l'air (20°C).
Substance (liquide) Eau Ethanol L’eau +détergent Vinaigre
Tension superficielle (N/m) 73. 10-3
22,27. 10-3
- -
Chimie Fondamentale / CHIM 40
Licence
3eme
Département SM /
1
TP N° 5
Mesure de la viscosité dynamique d’un liquide
I- Objectif
Mesure de la viscosité dynamique d’un liquide à l’aide d’un viscosimètre à chute de bille.
II- La viscosité dynamique d’un liquide
La viscosité d’un fluide est la propriété qui exprime sa résistance à une force tangentielle. Elle est due
principalement à l’interaction entre les molécules du fluide. Sa détermination se fait en mesurant la
valeur de la vitesse limite atteinte par une bille tombant en chute libre dans un récipient contenant un
liquide. La viscosité d’un fluide (μ) appelée viscosité absolue (ou dynamique) dépend de la
température et s’exprime en Pascal.seconde (Pa.s).
III- Notions théoriques
Une bille de rayon (r) tombe dans un fluide. Après une phase de mouvement accéléré, la bille aura un
mouvement rectiligne uniforme car son poids (P) est égal à la somme de la poussée d'Archimède FA et
de la force de frottement Ff (relation de Stokes) :
 Le poids P le la bille:
V : volume de la bille
ρ bille : masse volumique de la bille
 La poussée d’Archimède:
ρ : liquide : masse volumique du liquide
 La force de frottement visqueuse, donnée par la relation de Stokes :
r : rayon de la bille
v : vitesse de chute constante
μ : viscosité dynamique du fluide
On définit un deuxième coefficient de viscosité appelée viscosité cinématique :
IV- Le viscosimètre à billes
On lâche une bille de rayon r sans vitesse initiale dans un liquide contenue dans un cylindre de rayon
R (r << R). Au début de sa chute la bille est accélérée. Nous supposerons que sa vitesse v sera
constante quand elle aura traversé la distance jusqu’à une première marque A. Entre A et B sa vitesse
est constante.
Chimie Fondamentale / CHIM 40
Licence
3eme
Département SM /
2
V-Travail à faire
1. Représenter les forces agissantes sur la bille dans les deux positions
2. Ecrire la condition d’équilibre pour v constante.
3. Etablir l’expression de la viscosité dynamique :
VI- Faire les mesures suivantes
NB. Essuyez soigneusement la bille et lâcher la au-dessus du liquide.
VII- Mesurer le temps de chute de la bille entre A et B et calculer sa vitesse
VIII- Calculs
a- Calculez la masse volumique de la bille !
b- Calculez la viscosité pour les 10 mesures et calculez la valeur moyenne.
Remarque : En réalité la relation de Stokes n’est valable que pour les grands récipients. Pour des
récipients de taille finie (de forme cylindrique de rayon R) il faut corriger la formule :
λ : Facteur de correction.
Données : g = 9,81 N/kg
ρ(liquide) = …… g /cm3
à ….. °C
Volume d’une sphère
La viscosité
Moyenne =...............................................
c- Trouvez l’unité S.I. de la viscosité dynamique
Diamètre intérieur du récipient
Rayon de la bille
Masse de la bille
La distance AB
Température du liquide
t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10
t (s)
V (m/s)
μ1 μ2        
Chimie Fondamentale / CHIM 40
Licence
3eme
Département SM /
3
Tableau avec quelques valeurs pour la viscosité
La viscosité de la plupart des liquides augmente quand leur température baisse. Ainsi on chauffe le
goudron avant de le répandre. Voilà aussi l’une des raisons pourquoi dans certains cas on couvre une
personne blessée : la température de ses extrémités tend à diminuer parce que le flux sanguin est réduit
à cause de la viscosité accrue du sang.
-----------------------
Température en (°C) La viscosité en unités (SI)
L’eau 20 0.001002
Acétone 20 0.00032
Huile de table 25 0.650
glycérine 20 1.49

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  • 1. Université Larbi Ben M’hidi Oum El Bouaghi Faculté Des Sciences Exactes Et Des Sciences De La Nature Et De La Vie Département Des Sciences De La Matière 2019-2020 TP Chimie de surface Brochure de Travaux Pratique 3eme année Chimie Fondamentale 2019-2020 Responsable : Dr , ZENDAOUI .S.M
  • 2. SOMMAIRE TP-N° 01 Adsorption de l’acide acétique sur du charbon actif. 1- Cinétique d’adsorption TP-N°02 Adsorption de l’acide acétique sur du charbon actif. 2-Isotherme d’adsorption. TP-N°03 Détermination de la surface spécifique du charbon actif Méthode en solution TP-N°04 Mise en évidence de la tension de surface de quelques liquides purs TP-N°05 Mesure de la viscosité dynamique d’un liquide
  • 3. / CHIM 40 Fondamentale himie C Licence eme 3 SM / épartement D 1 TP N° 1 : Adsorption de l’acide acétique sur du charbon actif. (Cinétique d’adsorption) I- Adsorption L'adsorption, à ne pas confondre avec l'absorption, est un phénomène de surface par lequel des molécules de gaz ou de liquides se fixent sur les surfaces solides des adsorbants. Les molécules ainsi adsorbées constituant l'adsorbat. Si les conditions énergétiques ou cinétiques permettent à la molécule de pénétrer au sein de la phase adsorbante, il y a absorption. II- Adsorbants - Les adsorbants industriels ont généralement des surfaces spécifiques au-delà de 100 m2 /g, atteignant même quelques milliers de m2 /g, les plus courants sont: les charbons actifs, les zéolites, les gels de silice et les alumines activées. - Les charbons actifs sont de loin les adsorbants les plus fabriqués et utilisés industriellement. Ils peuvent être obtenus à partir d’un grand nombre de matériaux carbonés (bois, charbon, noix de coco, résidus pétroliers, etc.), par des processus de carbonisation suivis des processus d’activation dûment contrôlés. - Les charbons actifs sont composés de micro-cristallites élémentaires de graphite qui sont assemblées avec une orientation aléatoire. La surface des charbons actifs est essentiellement non polaire, même si une légère polarité peut se produire par une oxydation de surface. Ils adsorbent de préférence les composés organiques non ou faiblement polaires. - Ils sont fréquemment utilisés pour la récupération des vapeurs de solvants et d'hydrocarbures, la décoloration de sucres, la purification d'eau, l’élimination d'odeur. III- Cinétique d’adsorption L’adsorption à l’interface liquide/solide, avec une réaction localisée dans des pores (adsorbants, échangeurs d’ions, catalyseurs, …), comprend cinétiquement trois étapes importantes (figure ci-dessous), si on exclut le transport du soluté au sein de la solution notamment quand le système est agité : a- la diffusion à travers le film entourant les particules solides d’adsorbant, dite «diffusion externe », b- la diffusion dans les pores de l’adsorbant, dite « diffusion intra-particulaire », c- la réaction d’adsorption (et de désorption) proprement dite « réaction de surface ». Une (ou plusieurs) de ces étapes peut être cinétiquement déterminante (ou limitante). La désorption, quand elle a lieu significativement, présente les mêmes étapes dans l’ordre inverse. Plusieurs modèles sont donnés dans la littérature pour décrire la cinétique d’adsorption. Figure-1 : Etape de transfert de masse pour l'adsorption sur charbon actif b a c
  • 4. / CHIM 40 Fondamentale himie C Licence eme 3 SM / épartement D 2 IV- Partie expérimentale Les différents tests pour l’étude de la cinétique d’adsorption, seront réalises en batch selon le protocole, suivant : La solution de contacte contenant le composé étudié a une concentration initiale constante C0, pour tous les tests, cette solution va être mélangé à des masses identiques de charbon actif à différentes périodes (le temps), la courbes représentative de la cinétique d’adsorption est une fonction sous la forme qt=X/m=f(t). Les cinétiques d'adsorption sont liées d'une part aux réactions d'adsorption et d'autre part à la diffusion externe des espèces dans la solution ou à la diffusion interne. Les expériences sous agitation, permettent de négliger le phénomène de diffusion externe. Différents modèles sont peuvent rendre compte des cinétiques d’adsorption. Le temps d’équilibre correspond au temps nécessaire à l’établissement de l’équilibre d’adsorption (dynamique), entre les molécules adsorbée sur le solide et celles restant en solution. Ce temps est très important, il permet de définir la durée des tests précédents par une correcte mesure de la concentration Ce et dés lors qu’on veut utiliser le système à plus grande échelle (industriel). IV-1 Mode opératoire a/ Produits - Acide acétique en solution de concentration initiale (approximative) C0 = 0,25 mol.l-1 - Charbon actif en poudre. - Solution de soude à 0,1 mol.l-1 - Indicateur coloré phénophtaléine. - éthanol. b/ Dosage de l’acide acétique (l’acide éthanoïque) L'acide éthanoïque est un acide faible de formule CH3COOH. Il réagit avec les ions hydroxydes pour donner l'ion éthanoate (CH3COO- ) qui est une base faible et de l'eau suivant l'équation : CH3COOH + Na+ OH- = CH3COO - Na+ + H2O En présence d’indicateur coloré, tel que la phénophtaléine, l'acide acétique peut être dosé par la soude. Au point équivalent la concentration de l'acide est : Nacide.Vacide = Nbase.Vbase. c/ Manipulation  Dans sept béchers (fioles conique), on met dans chacun (voir tableau-1) : - Une quantité pesée de charbon actif (constante) m= 1.25 g. - Un volume (V=100ml) de solution d'acide acétique de concentration initiale C0, préalablement dosée. - Ensuite, tous ces béchers sont fermés et placés en continu sous agitation, pendant des durées variables, par exemple un bêcher pendant 5 minutes, un deuxième pendant 15 minutes, etc.  Séparation et filtration : A l'issue de ce temps de contacte entre solution d'acide acétique et charbon actif, on sépare ce solide du liquide par filtration. Ensuite on détermine de nouveau la concentration résiduelle d'acide acétique de Cr dans le liquide claire (filtré).
  • 5. / CHIM 40 Fondamentale himie C Licence eme 3 SM / épartement D 3 Dosage: - Les solutions de l'acide acétique (liquide claire) y compris la solution initiale C0 sont dosées. - A l'aide d'une pipette en prends un volume de la solution acide Va= 5 ml, on lui ajoute 4 à 5 gouttes de phénophtaléine (la solution est incolore), on titre au moyen de la solution de soude à 0,1 mol.l-1 jusqu'à l'obtention de la coloration rose pâle. Vb est le volume chuté de la soude. L’exploitation de résultats : Calcul : La détermination de la quantité d'acide acétique adsorbée par unité de masse de solide est donnée par: qt : quantité adsorbée du composé étudié par gramme de charbon actif (mg/g ou mol/g). X : quantité adsorbée du composé étudié (mg ou mol). m : masse du charbon actif en gramme. C0: concentration initiale du composé étudié (mol/l ou mg/l). Cr: Concentration résiduelle V : le volume de la solution de l’acide acétique (solution de contacte). Courbe : la courbe représentative de la cinétique d’adsorption est une fonction sous la forme qt=X/m=f(t). Tableau-1 : Conditions de travail. Concentration initiale d’acide acétique [C0 en (mol.l-1 )] (approximative) Volume de la solution de l’acide acétique [V en (ml)] Masse du charbon actif [m en (g)] Temps de contacte solution / charbon actif [ t en (min)] 0.25 100 1.25 5, 15, 30, 45, 60, 90, 120 IV-2 Questions : -Tracer la courbe de la cinétique d’adsorption qt=X/m=f(t). -Déterminer le temps d'équilibre. -Proposer un modèle (mécanisme) est donnes dans la littérature pour décrire le phénomène adsorption cinétique (Les zéolites, Les gels de silice et Les alumines activées).
  • 6. Chimie Fondamentale / CHIM 40 Licence eme 3 Département SM / /2 1 TP N° 2 : Adsorption de l’acide acétique sur du charbon actif. 2-Isotherme d’adsorption. 1- Isotherme d’adsorption La capacité des adsorbants à retenir différents constituants d’un mélange constituent le facteur le plus déterminant pour les performances de la majorité des procédés d'adsorption. Il est par conséquent essentiel de bien connaître les propriétés d’équilibre adsorbat-adsorbant pour pouvoir concevoir et dimensionner correctement les procédés d’adsorption. Les quantités adsorbées à l’équilibre pour un système adsorbat–adsorbant sont généralement caractérisées par des isothermes d’adsorption. 2- Les modèles d’adsorption Isotherme de Langmuir Isotherme de Freundlich qe= = qmax qe = : Quantité de soluté adsorbée par unité de masse de l’adsorbant (mg/g ou mol/g). qmax: Quantité maximale adsorbée par unité de masse d’adsorbant X : Quantité adsorbée. m : Masse de l’adsorbant. K : Constante d’équilibre thermodynamique. Ce: Concentration résiduelle du soluté à l’équilibre. qe = =K qe = : Quantité de soluté adsorbée par unité de masse de l’adsorbant (mg/g ou mol/g). K, n : Constantes positifs de Freundlich, ils dépendent des caractéristiques de l’adsorbat et de l’adsorbant concernés, fréquemment n≤1. Ce : Concentration résiduelle de l’adsorbat à l’équilibre (mg/l ou mol/l). 3- Partie expérimentale Pour l’établissement des isothermes d’adsorptions q=X/m=f(Ce) : il y a deux techniques ; la première consiste à prendre des solutions de même concentration initiale C0 du composé étudié, mélangées à des masses variables du solide (adsorbant) ; la deuxième technique, consiste à prendre des masses similaire de l’adsorbant pour tous les tests, mélangées à des solutions de concentration initiale C0 variables du composé étudié. Ces essais (pour les deux techniques) sont réalisés durant un temps de contact déterminé, qui correspond au temps nécessaire à l’établissement de l’équilibre d’adsorption (dynamique), entre les molécules adsorbées sur le solide et celles restant en solution. Ce temps est très important, il permet de définir la durée des tests réalisés, par une correcte mesure de la concentration Ce et dés lors qu’on veut utiliser le système à plus grande échelle (industriel). 3-1 Technique opératoire. a/- Produits - Acide acétique en solution de concentration initiale variable (voir tableau). - Charbon actif. - Solution de soude à 0,1 mol.l-1 - Indicateur coloré phénophtaléine. - éthanol. b/ Dosage de l’acide acétique (Principe) L'acide éthanoïque est un acide faible de formule CH3COOH. Il réagit avec les ions hydroxydes pour donner l'ion éthanoate (CH3COO- ) qui est une base faible et de l'eau suivant l'équation : CH3COOH + Na+ OH- = CH3COO - Na+ + H2O En présence d’indicateur coloré, tel que la phénophtaléine, l'acide acétique peut être dosé par la soude. Au point équivalent la concentration de l'acide est : Cacide.Vacide = Cbase.Vbase
  • 7. Chimie Fondamentale / CHIM 40 Licence eme 3 Département SM / /2 2 c/ Manipulation Les tests d’adsorption, seront réalises en batch selon le protocole, suivant (voir tableau)  Dans huit béchers (fioles conique), on met dans chacun : -Une quantité pesée de charbon actif m( variable), -un volume (V=100ml) de solution d'acide acétique de concentration initiale C0 (Constante), préalablement dosée, -ensuite, ces huit béchers sont fermés et placés en continu sous agitation, pendant 45 min.  Séparation et filtration : A l'issue de ce temps de contacte entre solution d'acide acétique et le charbon actif, on sépare ce solide du liquide par filtration. Ensuite on détermine de nouveau la concentration de l'acide acétique Ce dans le liquide claire (filtré).  Dosage: - Les solutions de l'acide acétique (liquide claire) y compris la solution initiale C0 sont dosées. - A l'aide d'une pipette en prends un volume de la solution acide Vacide= 5 ml, on lui ajoute 5 à 6 gouttes de phénophtaléine (la solution est incolore) et on titre au moyen de la solution de soude à 0,1 mol.l-1 jusqu'à l'obtention de la coloration rose pâle. Vbase est le volume chuté de la soude. d/ Calcul : La détermination de la quantité d'acide acétique adsorbée par unité de masse de solide est donnée par: X : quantité adsorbée du composé étudié (mg ou mol), m : masse du charbon actif en gramme, V : Volume de la solution de l’acide acétique, C0:concentration initiale du composé étudié (mol/l ou mg/l), Ce: Concentration à l’équilibre. Tableau : Conditions de travail. Concentration initiale d’acide acétique C0 (mol.l-1 ) (approximative) (constant) Volume de la solution de l’acide acétique V (ml) Masse du charbon actif m (g) (variables) Temps de contacte solution / charbon actif t (min) 1- 0,3 2- 0,3 3- 0,3 4- 0,3 5- 0,3 6- 0,3 7- 0,3 8- 0,3 100 100 100 100 100 100 100 100 1,00 1,75 2,50 3,25 4,00 4,75 5,50 6,25 45 45 45 45 45 45 45 45 *Il est important de tenir compte de l’acidité du charbon actif. 3-2 Questions : - Tracer l’isotherme X/m=f(Ce). - Appliquer l’isotherme de Langmuir et l’isotherme de Freundlich pour cette expérience. Quel est le modèle le plus approprié. Discuter de l'utilité de ces modèles et de leurs limites. - Donner un mécanisme pour cette adsorption.
  • 8. Département SM/3eme Licence / Chimie Fondamentale/ Tp-CHIM 40 /2 1 TP N° 3 Détermination de la surface spécifique du charbon actif Méthode en solution 1. Surface spécifique La connaissance de l’aire massique d’un échantillon appelé surface spécifique, présentent une grande importance en physicochimie, notamment dans les domaines de la catalyse, de l’adsorption et de la séparation des phases gazeuses ou liquides. La surface spécifique est une donnée essentielle de la caractérisation des solides finement divisés et des matériaux poreux, en effet elle est reliée directement à la réactivité du solide. Plusieurs méthodes faisant appel à l’adsorption ont été conçues pour la détermination de la surface spécifique. Le choix du mode de mesure de la surface spécifique dépend de certaines caractéristiques de l’échantillon : l’aspect poudre ou corps solide, la géométrie, la valeur de la surface spécifique faible (surface < 10 m².g-1 ) ou élevé (surface > 100 m².g-1 ). Il est indispensable que la surface spécifique ne soit modifiée par la préparation, avant ou pendant la mesure par les moyens mis en œuvre, pour l’évaluer. Parmi ces méthodes : - Méthode de B.E.T (largement utilisée) basée sur la théorie de Brunauer, Emmet et Teller. Elle repose sur l’adsorption d'un gaz sur un solide en multicouche où chacune des couches obéit à la théorie de Langmuir. - Méthode d’adsorption en solution, méthode simple et rapide, elle est utilisée lorsque l’adsorbat ou l’adsorbant risque de se décomposé sous l’effet de la température. Elle est aussi utilisée pour la détermination du pouvoir d’adsorption du solide, tel que les sols, les textiles …etc. La méthode consiste à déterminer l’isotherme d’adsorption on immergeant sous agitation le matériau dans la solution de l’adsorbat. Les quantités adsorbées sont ensuite portées en fonction des concentrations (à l’équilibre); quand la quantité finale adsorbée ne varie plus avec la concentration (partie horizontale), le recouvrement maximal de la monocouche est atteint, ce qui permet de déduire la quantité adsorbée relative à la monocouche. La quantité maximale adsorbée en monocouche est déterminée par les modèles d’adsorption théoriques tel que le modèle de Langmuir et le modèle de Freundlich. La surface spécifique est ensuite calculée à partir de l’équation suivante : = qmax : Quantité maximale adsorbée par unité de masse d’adsorbant, am : l’aire moléculaire en m², N : le nombre d’Avogadro et M : la masse molaire. Parmi les adsorbats utilises on peut citer: - l’iode (I2) dosé par Iodométrie, - les acides acétique, stéarique et benzoïque dosés par acidimétrie, - et le bleu de méthylène (BM) dont la molécule s'adsorbe sur les surfaces des particules minérales et organiques. Ce composé est dosé en solution par colorimétrie. La masse moléculaire MBM =319,852.10-3 kg.mol-1, l’aire moléculaire am= 119.10-20 m² 2- Technique opératoire. 2.1- Produits - Solution de bleu de méthylène de concentration initiale constante (voir tableau-2). - Charbon actif en poudre. 2.2. Dosage du bleu de méthylène (spectrophotométrie) Le dosage en spectroscopie UV- visible, nécessite au préalable la réalisation d’une expérience qui consiste à mesurer la densité optique (D.O) ou absorbance (A) d’une série de solutions de concentrations connus appelées solutions étalons, qui permettront ensuite le traçage de la courbe ou la droite d’étalonnage
  • 9. Département SM/3eme Licence / Chimie Fondamentale/ Tp-CHIM 40 /2 2 A =f(C). Cette courbe servira à déterminer la concentration des solutions inconnues à partir des mesures de l'absorbance A. Selon la loi de Lambert-Beer: A= LC C : Concentration du soluté dans la solution dosée (mg/l ou mol/l), L : Longueur du chemin optique (cm), : Coefficient d’adsorption molaire (ou coefficient d'extinction molaire exprimée en L·mol−1 ·cm−1 ). Etablissement de la courbe d'étalonnage : le dosage du bleu de méthylène est réalisé par spectrophotométrie selon les étapes suivantes : - Détermination de la longueur d’onde maximale (λmax = 660 nm), elle est choisie en plus d’être la longueur d’onde qui permet le maximum d’absorbance, d’être la longueur d’onde qui permet le dosage du composé voulu en évitant les interférences possible. - La concentration de la solution étalon mère du bleu de méthylène est 200 mg/l. - Les solutions filles étalons sont préparées à partir de la solution mère de 200 mg/l de bleu de méthylène dans des fioles jaugées de 200 ml, voir le tableau suivant: Tableau -1 : Courbe d'étalonnage Solution fille N° Blanc 01 02 03 04 05 Volume de la solution mère 0 1 3 7 8 10 Eau distillée (pour Ajuster avec à 200ml) 200 199 197 193 192 190 Concentration en BM (mg/l) 0 1 3 7 8 10 Absorbance A - La courbe d'étalonnage est tracée à partir de ces mesures (Tableau-1), en portant l’Absorbance A= f(C). 2.3. Manipulation * Dans sept béchers (fioles conique), on met dans chacun (voir tableau-2) : - une quantité pesée de charbon actif m (variable), - un volume (V=200ml) de solution de bleu de méthylène de concentration initiale (constante) C0 préalablement dosée par spectrophotométrie, - ensuite, ils sont fermés et placés en continu sous agitation, pendant 01H 30 min. * Séparation et filtration : A l'issue de ce temps de contacte entre la solution de bleu de méthylène et le charbon actif, on sépare ce solide du liquide par filtration à 0,45µm (millipore). Ensuite on détermine de nouveau la concentration du bleu de méthylène Ce (par spectrophotométrie) dans le liquide claire (filtré). Tableau-2 : Conditions de travail. Concentration initiale de bleu de méthylène C0 (mg.l-1 ) (approximative) Volume de la solution de du bleu de méthylène V (ml) Masse du charbon actif (sur balance analytique) m (g) Temps de contacte solution / charbon actif t (min) 1. 100,0 2. 100,0 3. 100,0 4. 100,0 5. 100,0 6. 100,0 7. 100,0 8. 100,0 100 100 100 100 100 100 100 100 0,050 0,100 0,125 0,150 0,175 0,200 0,225 0,250 90 90 90 90 90 90 90 90 NB : Pour faire des mesures par spectrophotométrie, les solutions de BM doivent être diluées. 2.4. Questions 1- Tracer l’isotherme q=X/m=f(Ce). 2- Appliquer l’isotherme de Langmuir et l’isotherme de Freundlich pour cette expérience. 3- Quel est le modèle le plus approprié. 4- Calculer la surface spécifique du charbon actif utilisé. 5- La molécule de BM est-elle approprie pour mesurée la surface spécifique du charbon actif ?
  • 10. Chimie Fondamentale / CHIM 40 Licence 3eme / Département SM 1 TP N° 4 Mesure de la tension superficielle de quelques liquides par l’utilisation de la méthode d’arrachement 1- Définitions : -La tension superficielle est un phénomène physico-chimique lié aux interactions moléculaires d'un fluide. Elle résulte de l'augmentation de l'énergie à l'interface entre deux fluides. Le système tend vers un équilibre qui correspond à la configuration de plus basse énergie, il modifie donc sa géométrie pour diminuer l'aire de cette interface. La force qui maintient le système dans cette configuration est la tension superficielle. -Une conséquence est que pour augmenter l'aire de l'interface, il faut appliquer une force suffisante, sinon le système reste dans sa configuration de surface minimale. Cet effet permet par exemple à certains insectes de marcher sur l'eau, à un objet léger de se maintenir à la surface d'un liquide, à la rosée de ne pas s'étaler sur les pétales de fleurs, et explique la capillarité. 2- But du travail . Mesure de la tension superficielle de quelques liquides (eau pure, éthanol, etc.). . Comparaison des valeurs des coefficients de la tension superficielle des liquides choisis. 3- Principes L’étude des phénomènes de surface revêt une importance particulière en physique puisque tout corps interagit avec le milieu ambiant à travers la surface qui le délimite. Dans le cas d’un liquide, les forces intermoléculaires de type de Van Der Waals qui s’exercent sur une molécule (A) qui se situe à l’intérieur de ce liquide proviennent d’un ensemble d’autres molécules et se compensent par symétrie. La résultante de ces forces est nulle. (Figure 1) Par contre, la molécule (B) qui se trouve à l’interface liquide- air est soumise aux forces qui ont comme origine l’effet de la moitié de molécules du liquide (l’effet des molécules de l’air est négligeable). Ainsi, la résultante des forces exercées sur les molécules de surface est orientée vers l’intérieur du liquide. Ces forces appelées forces de tensions superficielles ont pour origine l’attraction moléculaire due à la polarité des molécules de certains liquides. Les molécules de la couche superficielle tendent à avoir tendance à comprimer celles situées à l’intérieur du liquide qui réagissent pour stabiliser sa surface libre. Donc, ce phénomène se traduit par l’apparition d’une tension de surface (dite aussi tension superficielle) qui existe à l’interface qui sépare un liquide d’un autre objet. La tension superficielle d’un liquide, notée γ gamma, est mesurée par le rapport (quotient) de la norme de la force de tension superficielle (F) par la longueur (L) sur laquelle elle s’exerce. On écrit donc : γ = F/L La force (F) est mesurée en Newton, l’unité de mesure de la longueur (L) est le mètre et L’unité de mesure de la tension superficielle est Newton/mètre (N/m). Figure 1
  • 11. Chimie Fondamentale / CHIM 40 Licence 3eme / Département SM 2 N.B : - La tension superficielle dépend du liquide, du milieu qui surmonte sa surface libre et de la température. Si le fluide qui surmonte un liquide donné est un gaz, la variation de la tension superficielle de ce liquide est négligeable. Cependant, si ce fluide est un liquide, la valeur de la tension superficielle (γ) de celui- ci change sensiblement. - Dans le cas de contact d’un objet solide avec la surface libre d’un liquide, la longueur (L) dépend de l’objet en contact avec le liquide concerné. Dans ce cas, l’expression de la tension superficielle est : γ = F/2L (lame de longueur L et d’épaisseur négligeable) ; γ = F/2πr (pour un anneau de rayon r) 4- Unité de mesure de la tension superficielle - L'unité de mesure de la tension superficielle est le newton par mètre (N.m-1 ) qui est équivalent aux joules par mètre carré (J.m-2 ) qui est l'unité d'énergie de surface ou (1 dyn·cm–1 = 1 mN·m–1 ). 5- Pourquoi mesurer la tension superficielle ? - Pour connaître la propreté de votre matériau. - Pour savoir si votre matériau est imprimable (ou l'inverse). - Pour savoir s'il a été traité Plasma. 6- Domaine d’application - Le cas des matériaux solides. - La cinétique des réactions et la catalyse. - Les phénomènes de corrosion. - Le frittage et le mouillage des liquides par les solides. - Les industries du plastique, de la céramique ......etc. Figure 2 Remarque Il existe un très grand nombre de méthodes pour la détermination de la tension superficielle des liquides, nous ne présentons ici que les méthodes d’arrachement. 7- Les méthodes d’arrachement Dans ces méthodes, on mesure la force nécessaire pour arracher un anneau ou une plaque placée (lame) sur la surface d’un liquide. Quand on lève l’objet à arracher, on soulève une certaine quantité de liquide qui dépend de la forme et de la nature de l’objet ainsi que de la masse volumique et de la tension superficielle du liquide étudié. On distingue deux méthodes : 8- Partie expérimentale 8.1 Manipulation Le principe de la méthode d’arrachement consiste à la mesure, avec un dynamomètre de torsion, la force qui s’exerce sur une lame en verre lorsque cette lame affleure (touche légèrement) la surface libre d’un liquide. On constate que la balance perd son équilibre. Ce fait s’explique par la force (F) appliquée par le liquide sur la lame en verre (figure 3). Cette force se dirige vers le bas et correspond à l’expression : F= 2Lγ cos θ Figure 3
  • 12. Chimie Fondamentale / CHIM 40 Licence 3eme / Département SM 3 En considérant que les liquides utilisés sont parfaitement mouillants, l’angle de raccordement (contact) du liquide sur la lame est nul : θ = 0°, cos θ = 1 Donc : F= 2Lγ et γ = F/2L Les lames à utiliser dans ce travail ont une langueur L= ... mm et une épaisseur négligeable. La mesure de la valeur de la force de tension (F) se fait par la déduction de la force équivalente nécessaire à appliquer par le biais du dynamomètre à torsion pour arracher la lame du liquide. Donc, à partir du repérage de la valeur de cette force à l’instant d’arrachement de la lame, on calcule le coefficient de tension superficielle (γ) des liquides choisis. Pratiquement. Avant chaque mesure, nettoyez la lame en verre à l’alcool afin d’éliminer les impuretés, - Essuyez la lame en utilisant du papier hygiénique, - Réglez l’aiguille du dynamomètre de torsion sur l’indice « zéro », - Montez le liquide qui se trouve dans le cristallisoir jusqu’à effleurement. La lame sera attirée vers le liquide. Pour rétablir l’équilibre, augmentez la valeur de la torsion du fil du dynamomètre et notez, avec précision, la valeur qui correspond à l’arrachement de la lame. L’intensité de la force appliquée (F) est donnée en (mN). Pour chaque liquide, faites 3 mesures Mettez les valeurs obtenues dans le tableau suivant : F1 (mN) F2 (mN) F3 (mN) F moy (mN) γ (N/m) Eau pure Eau+ détergent Alcool Vinaigre 8.2- Questions 1- Calculez la valeur de la force moyenne et le coefficient de la tension superficielle de chaque liquide. 2- Comparez entre les valeurs des tensions superficielles obtenues. 3- Expliquez les différences constatables entre les valeurs données par la littérature (livres, revues, etc.) et celles que vous aviez obtenu. 4- De point de vu microscopique, comparer et expliquer vos résultats 5- Calculer l’erreur sur la mesure de la tension superficielle par rapport aux valeurs données dans le tableau suivant à 20°C. Expliquer ? 6- Dans les quartes expériences réalisées, que remarquer vous sur le dynamomètre? 7- Donnez la conclusion de ce travail Tableau : Tension superficielle pour différents liquides en contact avec l'air (20°C). Substance (liquide) Eau Ethanol L’eau +détergent Vinaigre Tension superficielle (N/m) 73. 10-3 22,27. 10-3 - -
  • 13. Chimie Fondamentale / CHIM 40 Licence 3eme Département SM / 1 TP N° 5 Mesure de la viscosité dynamique d’un liquide I- Objectif Mesure de la viscosité dynamique d’un liquide à l’aide d’un viscosimètre à chute de bille. II- La viscosité dynamique d’un liquide La viscosité d’un fluide est la propriété qui exprime sa résistance à une force tangentielle. Elle est due principalement à l’interaction entre les molécules du fluide. Sa détermination se fait en mesurant la valeur de la vitesse limite atteinte par une bille tombant en chute libre dans un récipient contenant un liquide. La viscosité d’un fluide (μ) appelée viscosité absolue (ou dynamique) dépend de la température et s’exprime en Pascal.seconde (Pa.s). III- Notions théoriques Une bille de rayon (r) tombe dans un fluide. Après une phase de mouvement accéléré, la bille aura un mouvement rectiligne uniforme car son poids (P) est égal à la somme de la poussée d'Archimède FA et de la force de frottement Ff (relation de Stokes) :  Le poids P le la bille: V : volume de la bille ρ bille : masse volumique de la bille  La poussée d’Archimède: ρ : liquide : masse volumique du liquide  La force de frottement visqueuse, donnée par la relation de Stokes : r : rayon de la bille v : vitesse de chute constante μ : viscosité dynamique du fluide On définit un deuxième coefficient de viscosité appelée viscosité cinématique : IV- Le viscosimètre à billes On lâche une bille de rayon r sans vitesse initiale dans un liquide contenue dans un cylindre de rayon R (r << R). Au début de sa chute la bille est accélérée. Nous supposerons que sa vitesse v sera constante quand elle aura traversé la distance jusqu’à une première marque A. Entre A et B sa vitesse est constante.
  • 14. Chimie Fondamentale / CHIM 40 Licence 3eme Département SM / 2 V-Travail à faire 1. Représenter les forces agissantes sur la bille dans les deux positions 2. Ecrire la condition d’équilibre pour v constante. 3. Etablir l’expression de la viscosité dynamique : VI- Faire les mesures suivantes NB. Essuyez soigneusement la bille et lâcher la au-dessus du liquide. VII- Mesurer le temps de chute de la bille entre A et B et calculer sa vitesse VIII- Calculs a- Calculez la masse volumique de la bille ! b- Calculez la viscosité pour les 10 mesures et calculez la valeur moyenne. Remarque : En réalité la relation de Stokes n’est valable que pour les grands récipients. Pour des récipients de taille finie (de forme cylindrique de rayon R) il faut corriger la formule : λ : Facteur de correction. Données : g = 9,81 N/kg ρ(liquide) = …… g /cm3 à ….. °C Volume d’une sphère La viscosité Moyenne =............................................... c- Trouvez l’unité S.I. de la viscosité dynamique Diamètre intérieur du récipient Rayon de la bille Masse de la bille La distance AB Température du liquide t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 t (s) V (m/s) μ1 μ2        
  • 15. Chimie Fondamentale / CHIM 40 Licence 3eme Département SM / 3 Tableau avec quelques valeurs pour la viscosité La viscosité de la plupart des liquides augmente quand leur température baisse. Ainsi on chauffe le goudron avant de le répandre. Voilà aussi l’une des raisons pourquoi dans certains cas on couvre une personne blessée : la température de ses extrémités tend à diminuer parce que le flux sanguin est réduit à cause de la viscosité accrue du sang. ----------------------- Température en (°C) La viscosité en unités (SI) L’eau 20 0.001002 Acétone 20 0.00032 Huile de table 25 0.650 glycérine 20 1.49