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Chimie des Surfaces: Examen (5 Juillet 2004) Chapter 1 1 (13 minutes; 12 points)
Dans une enceinte rigide (indéformable) contenant un gyroscope dans un
satellite spatial, 5 gramme d'eau sous forme de glace se trouvent dans un
container de 1 litre de volume fermé hermétiquement. Il y a aussi l'air sec
à une pression d'une atmosphère (1 atm), à la température T= 0°C. Durant la
course du satellite autour de la terre, l'exposition au soleil change et
résulte dans un échauffement à 90°C. Cette faute de production peut être
responsable pour une défaillance par corrosion des pièce mobile par
frottement. Il faut donc savoir les concentrations d'eau et de l'oxygène
présent à cette température élevé. 1) Combien de moles d'eau se trouvent en phase liquide dans le système à
l'équilibre à cette dernière température?
2) Quel est la pression totale et la composition en % de la phase gazeuse
dans l'enceinte? R=[pic] Corrigée
1) Du graph en page 24- du script, on trouve la tension de vapeur d'eau à
90°C : Peau, 90°C= 500 torr ( [pic] De la loi du gaz parfaite, cela nous donne une bonne approximation du
nombre de moles d'eau en phase vapeur: [pic]( [pic] Le nombre de moles d'eau present en phase vapeur est: N eau liquid = n tot H2O - n eau vapeur = [pic]
2.a) Le nombre de moles present au début (à 1 atm, et 0°C) est estimée par
la loi de gaz parfaite en négligeant le volume de la glace : [pic] La pression partielle d'air avec le container à 90°C est: [pic]
Pour une température donnée, la pression totale ans le système est la somme
des pressions partielle, la pression finale est alors: Ptot, 90°C=[pic] 2.b) Avec la composition de l'air sec de: 78% N2, 20,9% O2, 1% Ar et 0.03%
CO2 et des traces des autres gazes nobles, nous pouvons calculer la
composition (%) de la phase vapeur dans l'enceinte à 90°C : ngas tot=nair + ngas eau= [pic] [pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic] et des traces de gazes nobles. Exercise 2 (10 minutes; 8 pts)
L'adsorption de CO sur du charbon actif à 273 K résulte dans les valeurs
suivantes: |P (torr)|100 |200 |300 |400 |500 |600 |700 |
|V (cm^3)|10.2 |18.6 |25.5 |28.4 |36.9 |41.6 |46.1 | Confirmer que ces valeurs suivent l'isotherme de Langmuir et trouver la
constante K et le volume Vm qui correspondent au recouvrement complète.
Pour toutes les cas le volume V a été corriger à 1.00 atm (101.325 Pa). Corrigée L'isotherme de Langmuir est d'écrit par : [pic] (eq.1), avec [pic] le taux de recouvrement. Basé sur des calculs simples,
l'isotherme de Langmuir se transforme en eq.2 [pic] (eq.2). Alors la présentation graphique de [pic] sur P devrait donner une droite
avec la monté (slope) de [pic] et l'interception à [pic]. Les valeurs pour
le diagramme sont : |P (torr) |100 |200 |300 |400 |500 |600 |700 |
|P/V |9.8 |10.8 |11.8 |12.7 |13.6 |14.4 |15.2 |
|(torr/cm^3) | | | | | | | | Et le diagramme : |[pic] |
L'équation de la droite est : [pic] La monté [pic]=0.009 donne Vm= 111cm^3. L'interception, [pic] à P=0 est
9.0, alors
[pic].
3) Pollution
Quel est la différence par rapport aux risques pour la santé des nano
particules de silice sous forme d'additif dans la dentifrice et comme
produit d'une explosion d'un réservoir de silane SiH4 dans l'air, ou des
produits du sablage du quartz ? La différence est que les nano-particules de silice dans une solution
aqueuse sont liés et agglomèrent fortement. Dans le corps ils sont traité
comme d'autres particules chimiquement neutre de la taille de plusieurs
micromètres. Les produits de l'oxydation de silane peuvent éventuellement
être comparables aux particules cristallin de SiO2 qui sont les produits de
sablage du quartz. La poussière de silice est le provoquant de cancer des
poumons numéro 1, la maladie s'appèle la silicose. La silicose est une
pneumoconiose habituellement provoquée par l'inhalation de poussières
contenant de la silice cristalline libre (bioxyde de silicium, quartz) et
caractérisée par de la fibrose pulmonaire nodulaire discrète et, à des
étapes plus avançées, par de la fibrose pseudo-tumorale (conglomérée) et
une atteinte respiratoire. La silicose, une des maladies professionnelles
les plus anciennes tuent toujours des milliers de personnes chaque année
partout dans le monde. C'est une affection pulmonaire incurable provoquée
par l'inhalation de poussières contenant de la silice cristalline libre.
Elle est irréversible et d'ailleurs, la maladie progresse même lorsque
l'exposition cesse. 5) Mono-couches
a) Expliquez en détails comment produit une couche de Langmuir-Blodgett
de l'acide stéarique sur une lame de microscope en verre. Commencer
par le nettoyage du verre, et le contrôle de propreté du verre.
b) Comment les thiols d'une certaines longueurs de la chaine alkyl
forment-ils une monocouche sur l'or ?
c) Quelle est la différence entre les deux types de couches ? a) Le nettoyage du verre se fait avec une attaque plasma ou dans des
acides oxidants et suivit d'un rinçage à l'eau pure. La vérification
de la propreté est faite par la méthode suivantes : Une goutte d'eau
pure sur la surface de verre doit parfaitement mouiller la surface,
l'angle de contact doit être 0.
Sur la surface d'eau dans un reservoir avec des bords en teflon on met
une goutte de l'acide stéarique dissout dans un solvent immiscible
avec l'eau, et très volatile (diethyl-ether, ...)
En poussant une barrette en Teflon comme bord de la surface dans une
direction on reduit la surface ou se trouvent les molécules d'acide
stéarique. En parallel on mesure la pression de la couche qui agissent
sur la ligne de contact avec un détecteur par rapport a l'eau pur. Les
molécules, couché sur la surface et sans beaucoup de contact
augmentent les collisions jusqu'à l'état solide. La pression augmente
montrant la phase vapeur, liquide et solide deux dimensionelle.
L'échantillon en verre est immersé dans l'eau endessous de la mono-
couche et tiré en dehors à travers la couche en gardant la pression
constante. Cela est obtenue avec la barette en teflon.
b) Les thiols en solution alcoolique et des thiols sur une surface sont
énergiquement très proche. L'adsorption d'une molécule thiol sur la
surface d'or est reversible si il n'y pas encore des chaines de thiols
greffés sur la surface. Cette désorption et readsorption permettent la
guerisson des couches et la grande stabilité des mono-couches thiols
sur l'or. La cristallisation des couches dépend de la température, à
température ambiante, les chaines à pertir de 16 groupes CH2 sont
solides, les plus courtes sont encore liquide, pas encore bien
cristallisées. c) La principale différence est le type de liaison chimique, une liaison
covalente basé sur des interactions des orbitaux d dans le cas des
thiols sur l'or, et les couches électrostatiques d'acides
carboxyliques sur des surfaces de verre avec une couche de contre-ions
positive. Exercise 2 (10 minutes; 10 pts)
Les courbes « Force vs. distance » de l'approche ou d'éloingnement d'une
pointe AFM d'une surface dans des conditions d'un laboratoire normale, sont
présentés dans la figure endessous. Il y a sûrement la contamination qui
influencent ces mesures. a) Observez les courbes "force vs distance".
a) La présentation est fortement simplifier concernant les tailles,
formes et distances. Reliez les lettres du schéma avec les chiffres
du diagramme.
(4 minutes; 4 pts)
|[pic] | b) Decrivez les forces impliquez dans la phase d'approche et de
decrochage de la pointe pendant les étapes 2 et 5. (6 minutes; 6 pts)
Corrigée
a) Les couples sont:
1-B; 2-C; 3-A; 4-F; 5-D; 6-E. b) Au début (1-B) le levier n'interagit pas avec le substrat, parce
que c'est trop loin. A une distance d'environ 2nm de la surface (2-C), une
capillaire d'eau est crée entre la pointe et la surface et le levier
estattiré vers le substrat. Decreasing the distance between cantilever and
surface induces the deflection in the opposite direction. Forces acting
between tip and surfaces are attractive (capillary and van der Waals) till
a certain limit, when the distance between them is in the order of bond
length, so that they start to repulse each other because they cannot
interpenetrate (3-A, where force > 0). Inverting the direction of the
cantilever displacement (4-F), the deflection decreases. Increasing the
distance, the cantilever inverts the bending direction (5-D) and the
capillary forces acting in the removal phase are so strong that the
distance of the cantilever at which the tip detaches from the surface is
higher than the distance in the phase 2-C (the elastic force acting on the
cantilever is higher during the removal phase than the approach phase). (total points: 22 ) H2O, water the most wide spread molecule on earth and also the most
important molecule for life on earth. The importance of water for life on
earth depends strongly on the anomalies of water. The point of origin for
these anomalies is the structure and the interactions of water with other
water molecules and other molecules in general.