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1 UNIVERSITE DE LUBUMBASHI FACULTE POLYTECHNIQUES Département de Chimie Industr

1 UNIVERSITE DE LUBUMBASHI FACULTE POLYTECHNIQUES Département de Chimie Industrielle PCS 2018-2019 2 Par : Prof. Jean-Marie KANDA Ass. Sony TSHIYUKA Physico-Chimie des Surfaces Cours destiné aux étudiants de bac 3 PolytechniqueUNIVERSITE DE LUBUMBASHIFACULTE POLYTECHNIQUEDEPARTEMENT DE CHIMIE INDUSTRIELLE LUBUMBASHI Année Academique 2018-2019 3 Engagements pédagogiques Intitulé du module : Physico-Chimie des Surfaces Volume horaire : 75 Heures Intervenants : Professeur : Jean-Marie KANDA; Assistant : Sony TSHIYUKA et autres Collaborateurs (Industriels et Scientifiques). Répartition horaire Cours théorique et exercices : 30 heures ; Réalisation et présentation d’un travail pratique : 45 heures  Méthodes d’enseignement et d’apprentissage : Le cours théorique est exposé ex cathedra en utilisant les formes adaptées aux types de chapitres (projection, dictée, explication des textes mis à la disposition des étudiants). Les notes et les diapositives sont mises à la disposition des étudiants (en principe avant le début du cours). La partie des travaux pratiques du cours comprend les exercices d’application, les séminaires ainsi que la réalisation et la présentation en groupe d’un travail pratique sur des volets essentiels de la Physico-Chimie des Surfaces. 4  Langues : Le cours est dispensé en français. Les supports peuvent être en anglais, les séminaires peuvent être animés en anglais avec traducteurs en français.  Evaluations : - Epreuve écrite : Questions théoriques sans ou avec notes ; - Epreuve orale : Préparation du sujet et défense orale ; - Réalisation et présentation d’un travail pratique.  Pondération des évaluations : - Interrogations : 50% ; - TPE (réalisation et présentation d’un travail pratique) : 25% ; - Autres (TD, TP, etc.) : 25%.  Objectif général : Etudier les propriétés de surfaces et interfaces, et les modifications superficielles des matériaux engendrées par les interactions entres ces derniers et son environnement. Engagements pédagogiques 5  Objectifs spécifiques : - Approfondir les connaissances sur les méthodes d’analyse chimique des surfaces, - Approfondir les connaissances sur les méthodes de mesures de la tension superficielle - Pouvoir concevoir un produit relevant de la physico-chimie des surfaces, - Approfondir les connaissances sur les phénomènes de dispersion des phases.  Finalité : A la fin du cours, l’étudiant doit être capable d’étudier les propriétés de surfaces et interfaces, et les différentes modifications superficielles des matériaux engendrées par les interactions entres ces derniers et son environnement.  Prérequis : Ce cours nécessite une connaissance préalable de tous les cours de chimie, thermodynamique et physique. Engagements pédagogiques 6 Engagements pédagogiques  Travail pratique (TP) : Concevoir un produit qui relève du domaine de la physico-chimie des surfaces.  Séminaire : Les séminaires sont prévus sur: les aspects physico-chimiques la production d’un savon et d’un coagulant à base des leucenats.  Contenu du cours théorique 1. Introduction 2. Rappels sur les propriètes de la matière 3. Tension superficielle, interfaciale 4. Les tensioactifs 5. Les dispersions de phase 6. Quelques cas pratiques de la physicochimie des surfaces  Bibliographie sommaire 7 Définition des quelques concepts  Physique…  Chimie…  Physico-chimie…  surfaceI. INTRODUCTION Définition du dictionnaire : Surface, n.f. (physique) « Superficie, partie extérieure d'un corps, ce qui le limite dans l'espace» « Partie extérieure d’un corps, limite entre deux milieu différents » Il existe de nombreuses acceptions au mot surface, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, souvent abusivement confondu avec sa mesure (l'aire ou la superficie est la dimension d'une surface). 8 Définition des quelques concepts  surfaceI. INTRODUCTION Définition selon les disciplines Mathématique : entité sans épaisseur Géologie : une surface est une portion de terrain délimitée par une frontière ou des limites, la surface de la terre est la partie externe de la croute terrestre (quelques km) Physique : la notion de surface a deux sens voisins : d'une part, la surface propre d'un objet désigne sa limite, sa frontière avec le reste de l‘univers et d'autre part, la surface de contact entre deux objets ou, plus généralement, deux milieux différents, désigne la frontière commune à ces deux objets ou milieux. Sciences de matériaux : la surface correspond à une région, s’étendant sur quelques nm à quelques µm, représentant une zone transitoire entre le volume du matériau et le milieu l’environnant (vide, gaz, liquide, solide) 9I. INTRODUCTION La surface idéale d’un matériau solide est définie physiquement comme la région de discontinuité entre l’atmosphère ambiante et le volume du solide. Elle correspond aux premières couches atomiques du matériau se succédant par des plans denses séparés par des marches. La surface réelle La surface réelle possède en fait une certaine épaisseur de composition et de structure différente de celle du volume. Dans le cas d’un matériau industriel, la couche de surface altérée peut atteindre une épaisseur de quelques microns selon la nature des traitements préalables (laminage, recuits thermiques, polissage, dégraissage par des solvants…) de mise en forme ou de préparation subis par le matériau Interface : ensemble des points à la frontière entre le matériau et les agents extérieurs ou ont lieu les échanges et les interactions 10 Aucun des atomes de surface d’un matériau ne reste inerte au contact d’une phase gazeuse, liquide ou même solide. La surface réelle possède donc une certaine épaisseur de composition et de structure différente de celles du volume: Sources possibles de contamination de surface  Réactions avec l’atmosphère ambiante (oxydes, sulfures…) Exemple: Adsorption à partir de l’atmosphère ambiante (hydrocarbones, vapeur d’eau…)  Résultats de manipulations (huiles, graisses, traces de doigt…) Exemple: Résultat de stockage (polymères, huiles…)  Particules provenant de l’atmosphère ambiante Exemple: Phénomènes d’attraction électrostatique (poussière…)  Dégazage ou diffusion provenant de la masse du matériau  Contact avec des surfaces contaminées Exemple: Matériaux d’emballage (tissus, papier…) La physico-chimie des surfaces s’intéresse aux modifications superficielles du matériau engendrées par les interactions de ce dernier avec son environnement. La composition physique et chimique de la surface rend compte de la nature de l’interaction. Les phénomènes de surface (solutions colloïdales, l’évaporation et la condensation à la surface, les propriétés de solide dispersés dans les liquides) qui ont pris une importance considérable dans plusieurs domaines. 11 Les domaines ou` l’étude : o Les milieux divises ou disperses Dans ces milieux, la surface mise en jeu est importante relativement au volume de l’objet : les suspensions colloïdales, les milieux poreux, les ´émulsions, poudres, mousses... Les produits industriels concernés sont divers et variés : encres, peintures, agro-alimentaire, cosmétiques, béton, boues, nuages, aérosols... o L’´électronique : L’´électronique fait intervenir des surfaces à l’intérieur des composants, en particulier au niveau des jonctions. La miniaturisation pose également des problèmes de surface, l’importance de celles-ci augmentant quand la taille des objets diminue. En général, les problèmes majeurs apparaissent dans la recherche de surfaces solides très propres. o La catalyse : Les surfaces peuvent bien entendu combler les rêves des chimistes. La catalyse en phase solide est une voie de recherche très en vogue depuis longtemps, et elle est utilisée industriellement, par exemple dans les pots d’´échappements catalytiques. o Les matériaux : De plus en plus, au lieu d’inventer de nouveaux matériaux, on préfère réaliser des traitementsdesurfacesurdesmat´eriauxbienconnus.Ceciposebienentendudesprobl`emes d’adhésion et de couches minces. 12 13 II. RAPPELS SUR LES PROPRIETES DE LA MATIERE  Molécules: assemblage d’atomes  Atome: assemblage des particules élémentaires  Matière: assemblage plus ou moins organisé d’atomes, d’ions ou de molécules en très grand nombre Les substances qui en résultent peuvent exister sous différents états physiques: solide, liquide, gazeux Etat gazeux: pas d’interaction (molécules éloignés les unes des autres), pas de volume propre, état non condensé et totalement désordonné Etat liquide: état condensé, désordonné (molécules au contact les unes des autres mais leur mouvement sont très limités) volume propre, pas de forme propre Etat solide: état condensé, ordonné (molécules ayant moins de liberté, simple oscillation autour de la position d’équilibre) Transformation GAZ-LIQUIDE-SOLIDE consiste en un rapprochement des molécules qui se serrent de plus en plus jusqu’à ne presque plus bouger. Pour les transformations inverses, les molécules acquièrent plus de liberté Etat physique : balance entre l’énergie de cohésion et l’énergie thermique Energie thermique: résulte du mouvement continuel des atomes et est proportionnelle à la température 14 Energie de cohésion: énergie qu’il faudrait apporter au système pour le dissocier en ses éléments constitutifs. Elle est fonction de types de liaisons (fortes et faibles) Notion de polarité Dipôle Moment dipolaire Forces d’attraction intermoléculaires: forces de Van der Waals et liaison hydrogène 15 16 III. TENSION SUPERFICIELLE, INTERFACIALE Au sein du liquide, une molécule subit de la part de ses voisines des forces d’attraction qui se compensent par symétrie. Il n'en est pas de même sur la surface : la résultante des forces d’attractions intermoléculaires est cette fois ci dirigée vers l’intérieur du liquide. Il en résulte au niveau macroscopique une tendance des molécules à entrer dans le liquide Ce phénomène se traduit par l’apparition d’une tension de surface caractéristique de chacun des liquides. La non compensation des forces de Van Der Waals à l'interface liquide-gaz fait qu’une molécule à la surface est moins stable qu’à l’intérieur du liquide. On conçoit ainsi que le liquide va avoir tendance à minimiser sa surface libre pour diminuer son énergie et uploads/Industriel/ physico-chimie-des-surfaces-bac-3-chimie-ind-sf-ass-sony-ts.pdf