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Chimie des Surface 5 décembre, 2006 Corrigé Série 1 Corrigé CdS – Chapitre 1 Ex

Chimie des Surface 5 décembre, 2006 Corrigé Série 1 Corrigé CdS – Chapitre 1 Exercice 1 En faisant l’hypothèse que le terme répulsif d’un potentiel de type Lennard-Jones (12.6) est remplacé par une fonction exponentielle de la forme suivante / r d e− , esquissez la forme de l’énergie potentielle et identifiez la distance à laquelle se présente un minimum. Figure 1 Potentiel lorsque le terme répulsif est remplacé par une fonction exponentielle Answer : Lorsque le terme répulsif 12 1/ r est remplacé par une fonction exponentielle / r d e− , la forme du potentiel répulsif est esquissée par la courbe comme indiquée dans la figure 1. Expérimentalement, cette approche est plus proche de vérité. Ce remplacement n’est valable qu’à partir d’une valeur de r ≅ r(équilibre). Dans ce cas là, la distance à laquelle un minimum se présente n’est que légèrement différente du cas Lennard-Jones. Exercice 2 Dans le cas l’adsorption physique, le potentiel peut s’écrire de la manière suivante : Chimie des Surface 5 décembre, 2006 Corrigé Série 1 ( ) m n a b U r r r = − + Calculez la force induite par ce potentiel. Quelle est la distance d’équilibre quand 6 / (362.3 ) b a pm = ? Quand est ce que la force est-elle la plus grande ? Quelle est alors sa valeur ? Answer : Soit le potentiel : ( ) m n a b U r r r = − + , où m = 6 et n = 12 dans le cas de Lennard- Jones. Figure 2 Potentiel de Lennard-Jones La force induite s’écrit : 1 1 7 13 ( ) ( ) 6 12 m n m n U r a b F r am r bn r a r b r r r r r − − −− − − ∂ ∂⎛ ⎞ = − = − − + = − ⋅ + ⋅ = − ⋅ + ⋅ ⎜ ⎟ ∂ ∂⎝ ⎠ La distance d’équilibre r0 est atteinte lorsque F(r0) = 0 7 13 6 0 0 0 6 0 6 12 0 2 2 406.67 a r b r a r b b r pm a − − ⇒− ⋅ + ⋅ = ⇒ ⋅ = ⎛ ⎞ ⇒ = = ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ (1) Chimie des Surface 5 décembre, 2006 Corrigé Série 1 La force est la plus grande lorsque : ( ) 0 F r ′ = 8 14 6 6 42 156 0 26 7 26 450.87 7 a r b r b a b r r pm a − − − ⇒ ⋅ − ⋅ = ⎛ ⎞ ⇒ = ⋅ ⇒ = = ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ En insérant (2) dans (1) nous pouvons calculer la valeur de la force F la plus grande : ( ) ( ) ( ) ( ) 7 13 13 6 13 6 6 19 7 6 12 6 2 6 450.87 450.87 2 362.3 6 1.22 10 b F a r b r a r r a a pm pm pm a pm − − − − − − ⎛ ⎞ = − ⋅ + ⋅ = − ⋅ − ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ = − ⋅ ⋅ −⋅ = − ⋅ ⋅ Avec a = -1.37 1019 pN pm7 on obtient : F = 10.03 pN Exercice 3. Dans la liste ci-dessous, choisissez la méthode de nettoyage la plus appropriée pour chacune des contaminations répertoriées. Answer : Chauffage dans l’air (T…°C) Rincer à l’alcool rectifié Acide (spécifiez) Ozone hv; Plasma O2 Ultrason dans l’eau savoneuse Grain de sable NA ◊ HF pour SiO2 + TiO2 NA ◊◊ Pollen d’arbre 350°C ◊ H2SO4 + H2O2 95°C Piranha ◊ ◊◊ residue photo- résine 350°C NA HNO3 ++◊◊ NA Argent sur verre (vieux miroir) NA NA HNO3 dilué HCl ne va pas à cause d’AgCl NA NA Sang sur vêtement NA NA Partiellement NA (H2O2 NA ++◊◊ (2) Chimie des Surface 5 décembre, 2006 Corrigé Série 1 oxide partiellement du tissu blanc) Empreintes doigts NA ◊ Acides sulfuriques aqueuses Partiellement NA ◊◊ Silicone spray < 280 °C ◊ NA NA ~ NA Chimie des Surface 5 décembre, 2006 Corrigé Série 2 Corrigé CdS – Chapitre 2 Exercice 1. Le modèle d’Helmholtz d’une double couche électrique est l’équivalent d’un condensateur plan parallèle. Ainsi, la différence de potentiel à travers la double couche est donnée par d σ φ ε ⋅ Δ = , où d est la distance entre les plaques et σ est la densité de charge surfacique et ε la permittivité électrique. En considérant ce modèle valable pour une solution concentrée en sel, calculez la valeur du champ électrique à la surface de la silice dans NaCl(aq) 5.0 M si la densité de charge surfacique est 0.10 Cm−2 et que la permittivité relative de cette solution est 48. Answer : Le champ électrique peut s’écrire : E d φ Δ = (1) En insérant d σ φ ε ⋅ Δ = dans (1) on obtient avec les valeurs de la donnée : 2 8 1 12 1 2 1 0 0.10 2.4 10 48 8.854 10 r Cm E Vm J C m σ σ ε ε ε − − − − − = = = = ⋅ ⋅ × ⋅ Exercice 2. Friction statique : Calculer l’angle maximum pour lequel le bloc reste sur la pente sans glisser. Mg Mg sin θ μ Mg cos θ N x y Chimie des Surface 5 décembre, 2006 Corrigé Série 2 Donnée: μ = 0,5 Answer : A l’équilibre en projetant sur x : Mg sin θ = μ Mg cos θ D’où : tan θ = μ Æ θ = 26.57° Exercice 3. L’énergie d’interaction de 2 surfaces résultant de l’interaction macroscopique de Van der Waals peut s’écrire comme 2 12 H A S W D π ⋅ = − ⋅ , où H A , S , D sont respectivement la constante d’ Hamaker, l’air des 2 surfaces et la distance entre ces 2 surfaces. Quelle est la force correspondante ? Quelles sont les valeurs de W et F en considérant 20 30 10 H A J − = × , 2 10 S cm = et 0.5 D nm = ? A quel type de matériau a- t-on à faire ? De la même manière, en estimant la constante d’Hamaker de la peau, est-il possible de vous suspendre au plafond, à l’aide d’une seule main en considérant la surface d’interaction comme la paume de votre main. (la colle Van der Waals ?!?) Answer : Application numérique : 6 5.3052 10 W J − = × et 21221 F N = L’énergie est petite mais la force grande. Cependant, il est impossible de se suspendre au plafond par la paume de la main. La raison est que la distance entre le plafond et la main ne peut pas être maintenue aussi petite que 0.5 nm sur toute la surface de la paume, nos mains sont trop rugueuses… Chimie des Surface 12 Décembre, 2006 Corrigé Série 3 Chimie des surfaces: P. Hoffmann (IOA) 1 Corrigé CdS – Chapitre 3 Exercice 1. Complexes Il y a deux différents complexes de fer avec le cyanure. Un est stable et non toxique tandis que l’autre est un poison mortel. Choisissez entre K3Fe(CN)6 et K4Fe(CN)6 ? Expliquez avec la règle des 18 électrons la raison de la stabilité ? Est-ce qu’un des deux est un bon partenaire redox ? Si oui, lequel et dans quel sens, sinon pourquoi ? Expliquez les formules chimiques de ces deux complexes ? Qu’est-ce qui se passe si on met ces solides dans l’eau ? Quels sont les ligands, l’ion central, la charge des ligands, la structure géométrique du complexe, les contre-ions etc… Answer : Selon F. Kober, (« Grundlagen der Komplexchemie », 1979 Verlag Sauerländer, page 85), les deux complexes sont des hexacyanoferrats, l’un avec Fe2+ (K4Fe(CN)6) et l’autre avec Fe3+ (K3Fe(CN)6). Le Fe a 26 électrons, le Fe2+ 24, le Fe3+ 23 électrons. Pour remplir la couche électronique, la configuration du Kr, il en manque 12 au Fe2+, et 13 au Fe3+. Le complexe avec Fe2+ (le [Fe(CN)6]4-) est plus stable parce qu’il remplit la couche de 18 électrons. Il n’est pas toxique. L’autre complexe, le Fe3+ (le [Fe(CN)6]3-) est moins stable selon les raisonnements et son activité de réactif oxydants vient de ce manque d’un électron. Les ions de potassium K+ sont les contre-ions des complexes hexacyanoferrats. Ils se dissocient du complexe dans l’eau. Résultats de la dissociation du sel sont les complexes anions [Fe(CN)6]3- et [Fe(CN)6]4- et les ions K+. Chaque ligand CN- , chargé une fois négatif, est donneur de deux électrons,. Les ions centraux sont les ions de Fe2+ et Fe3+ entouré chacun dans un octaèdre de six ligands cyano (CN-). Les constantes de formation des complexes [Fex+] + 6 [CN-] ⇔ [Fe(CN)6](6-x)- sont tous les deux très grandes, mais celle du complexe Fe3+ (1043) est plus grande que celle du Fe2+ (1035). uploads/s3/ corrige-exercices-cds-0607.pdf