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See discussions, stats, and author profiles for this publication at: https://www.researchgate.net/publication/323445291 Théorie de la double couche électrique et stabilité colloïdale Book · January 2018 CITATIONS 0 READS 1,736 1 author: Some of the authors of this publication are also working on these related projects: Physicochemical Characterization of polymers by Inverse Gas Chromatography (IGC) View project Elimination of Coke in an Aged Hydrotreating Catalyst via a Non-Thermal Plasma Process View project Tayssir Hamieh Lebanese University 505 PUBLICATIONS 1,377 CITATIONS SEE PROFILE All content following this page was uploaded by Tayssir Hamieh on 18 November 2018. The user has requested enhancement of the downloaded file. Tayssir Hamieh, Théorie de la double couche électrique et stabilité colloïdale Théorie de la double couche électrique et stabilité colloïdale Cours destiné aux étudiants de Master M2R de Chimie-Physique, Matériaux et Catalyse Par Prof. Tayssir HAMIEH Docteur en Chimie-Physique Docteur en Mathématiques HDR en Sciences physiques Ingénieur en chimie industrielle Université Libanaise, Beyrouth, Liban, 2018 1 1. Théorie de la double couche électrique 1.1- Introduction La plupart des substances acquièrent une surface électrique chargée quand elles viennent en contact avec un milieu polaire. Les mécanismes possibles sont : l'ionisation, l'adsorption des ions et la dissolution des ions. Cette surface chargée influence la distribution des ions proches dans le milieu polaire. Les ions de charges opposées (contre-ions) sont attirés vers la surface et les ions de même charge ( co-ions) sont repoussés loin de la surface. La théorie de la double couche électrique est envisagée lors de l’étude de la distribution des ions vu l'intérêt du potentiel électrique qui se crée sur la surface chargée. C'est la première étape vers une bonne compréhension de la double couche électrique qui joue un rôle fondamental dans le domaine des phénomènes colloïdaux tels que la stabilité, l'éléctrocinétique, la formation de micelles, l'éléctroadsorption, la flottation, les propriétés des polyélectrolytes, etc.... Beaucoup des théories permettent d'expliquer le potentiel électrique observé. Historiquement, la première et la plus simple a été donnée par Helmholtz (1879). Elle a été ensuite modifiée par le physicien français Georges Gouy (1910) et en (1913) par le chimiste Britannique David Leonard Chapman. 2 La théorie Gouy-Chapman n'était pas entièrement satisfaisante, et en (1924) une considérable amélioration a été donnée par le physicien Germano-américain Otto Stern, qui est le meilleur modèle utilisé actuellement. 1.2- La théorie de la double couche électrique 1.2.1- Origine de la charge sur la surface L'une des raisons principales de la stabilité des colloïdes est l'existence d'une charge électrique à la surface des particules. L'acquisition d'une charge électrique à la surface se fait par : a) Ionisation des groupements tels que : - COOˉ , - NH3+ b) Adsorption d'ions c) Dissolution des ions d) Adsorption et orientation des dipôles Du fait de cette charge, les ions de charges opposées tendent à se ressembler à proximité et forment une atmosphère ionique. a-Ionisation Les Protéines acquièrent leur charge spécialement à partir l'ionisation des groupes carboxyliques et des groupes amines pour donner les ions - COO¯ et - NH3+. L'ionisation de ces groupes et par suite la charge moléculaire nette, dépendent fortement du PH de la solution. À bas PH, la molécule protéine devient chargée positivement. Alors qu’à PH élevé ; elle est devenue chargée négativement. b- Adsorption des ions 3 L'ensemble des charges sur la surface peut être obtenu par adsorption inégale des ions de charges opposées. L'adsorption des ions peut contenir une surface positive ou négative de concentrations élevées. Cette surface en contact avec les milieux aqueux est généralement chargée positivement plutôt que négativement. C'est une conséquence de la réalité des cations qui sont d'habitude plus hydratés que les anions, et par suite possèdent une meilleure tendance à résider dans le milieu aqueux, tandis que les anions moins hydratés et plus polarisés possèdent une meilleure tendance à être spécifiquement adsorbé. Les surfaces qui sont précédemment chargées (par ionisation, par exemple) mettent en évidence une tendance préférable pour adsorber les contres-ions qui ont un nombre de charge plus élevé. Les surfaces hydratées (ex: protéines et polysaccharides) adsorbent les ions avec une capacité plus faible que celle obtenue avec les surfaces hydrophobes (ex: lipides). c- Dissolution des ions Les substances ioniques peuvent acquérir une surface chargée par dissolution inégale des ions de charges opposées. Les particules d'iodures d'argent présentes dans la suspension aqueuse sont en équilibre avec la solution saturée qui a une solubilité Kps = 10-16 à température ambiante. 4 Si les ions iodures Iˉ sont en excès, les particules d'iodure d'argent seront chargées négativement. Par contre, si les ions Ag+ sont en excès, les particules d'iodure d'argent seront chargées positivement. Le point de charge nulle n'est pas égal à PAg = 8, mais il est devenu PAg = 5,5, parce que les ions Ag+ petits et moins mobiles dominent moins fortement que les ions Iˉ dans les cristaux de l'iodure d'argent. La concentration des ions Ag+ et Iˉ détermine le potentiel électrique de la surface des particules. Ces ions sont appelés ions déterminant le potentiel (i.d.p.). De façon identique, les ions H+ et OH- sont également appelés ions déterminant le potentiel et peuvent hydrolyser un oxyde métallique : -M-OH + H+ -M-OH2+ -M-OH + OHˉ -M-Oˉ + H2O d- Adsorption et orientation des dipôles L'adsorption des molécules dipolaires ne contribue pas à elle seule à la formation d’un ensemble de charges à la surface mais c’est surtout la présence de la couche des molécules dipolaires orientées sur la surface qui contribuera de façon significative à donner la nature de la double couche électrique. 1. 2.2- Structure de la double couche électrique La double couche électrique est constituée de deux régions : - Une région interne qui inclut les ions adsorbés. 5 - Une région diffuse où les ions sont distribués suivant l'influence des forces électriques et celles dues à l’agitation thermique. Le traitement quantitatif de la double couche électrique présente beaucoup de problèmes difficiles à résoudre. Cependant, les diverses simplifications et approximations effectuées par un certain nombre de chercheurs ont aidé à mieux développer et comprendre la théorie de la double couche électrique. a-Modèle de Helmholtz "structure du voisinage de l'électrode" Nous allons voir que les deux phases d'un côté comme de l'autre de l'interface, se chargent électriquement avec une quantité de charge égale mais de signes opposés, ce qui favorise la création d’une différence de potentiel. Il y a plusieurs raisons qui expliquent l'apparition de cette différence de potentiel : - Des réactions de transfert d'électrons. Par exemple, un ion positif qui se trouve dans la solution peut capter des électrons du métal pour devenir neutre. Ainsi l'électrode aura une charge positive et va attirer les ions négatifs et les molécules dipolaires. - Les électrodes auront aussi des charges positives ou négatives, apportées par une source externe. On considère maintenant un ion à proximité d'une électrode. Du côté de la solution, l'ion est soumis à des forces spécifiques dans la solution. Du côté de l’électrode, l'ion est soumis à d’autres types de forces. Les forces qui agissent sur les particules à proximité de 6 l'interface sont anisotropes (ne sont pas les mêmes dans toutes les directions). Les particules adoptent une structure intermédiaire entre les structures des deux phases. Etant donné l'anisotropie dans les particules, il se produit une redistribution des charges mobiles et des dipôles orientés. Cette redistribution est à l’origine de la différence de potentiel à l'interface. Figure 1. Distribution des espèces à l'interface solide-liquide Pour une électrode chargée négativement, la distribution des espèces est présentée de façon simplifiée (figure 1). La première couche du côté de l'électrode est principalement occupée par des molécules d'eau. L'orientation des dipôles dépend de la charge sur l'électrode. La deuxième couche est régie par des ions solvatés. Le plan qui passe par les centres de ces ions est appelé plan externe de Helmholtz (PHE). 7 Dans un cas plus simple, la densité de charge au plan PHE est égale et opposée à celle de charge du métal (on néglige l'influence des dipôles d'eau). Cette représentation d'interface a été donnée par Helmholtz ainsi que l’appellation double couche électrique. La décroissance dans le potentiel entre le métal et la solution est dans ce cas linéaire alors que l'interface est équivalent du point de vue électrique à un condensateur plan. Figure 2. Variation linéaire du potentiel à l'interface Conformément au modèle de Helmholtz Les deux couches du condensateur ont chacune une densité de charge égale à , et elles sont distantes d’une quantité a. Selon ce modèle qui suit la théorie électrostatique, la différence de potentiel  est donnée par : r a     0  (1) 8 avec 0 la constante diélectrique du vide et r la permittivité relative du milieu liquide. b- Modèle de Gouy- Chapman "couche diffuse" Le modèle précédent de Helmholtz de la double couche électrique est un modèle très simplifié, il ne peut pas expliquer les résultats expérimentaux, surtout pour les solutions de faible concentration. Gouy et Chapman ont proposé un modèle où les ions qui forment la charge électrique de l'interface du côté uploads/Philosophie/ theorie-de-la-double-couche-electrique.pdf