DESCRIPTION
Se reporter aux ouvrages de chimie. Ce tableau n'est pas très ancien,
l'auteur de ces lignes l'a vu sur un mur d'amphithéâtre (1958) et se
souvient de l'avoir utilisé. On remarquera que les éléments y sont classés
par ordre croissant de numéro atomique (Z) et non par ordre croissant de
masse atomique comme au temps de Mendeleïeff ; les orbites électroniques
y sont figurées. Cette classification est donc postérieure au travaux de
Moseley (1887-1915).
Mais l'intérêt historique et muséographique
de cet objet réside dans le fait que lorsqu'elle fut achetée cette
classification possédait encore deux cases vides correspondant aux éléments
85 qu'on appelait (selon Mendeleïeff) ékaiode (appellation encore visible)
et 87 qu'on appelait ékacaesium (appellation recouverte).
L'ékacaesium fut découvert en 1939 par Mlle
Perey et nommé Francium (Fr), l'ékaiode fut découvert en 1940
par Corson, Machensie et Segré et fut nommé Astate (At). Cet objet
fut donc acheté avant la deuxième guerre mondiale.
Consciencieusement des professeurs du lycée
Louis-le-Grand (pour nous anonymes) ont comblé les deux cases vides par les
symboles des deux éléments découverts après l'achat.
On notera cependant l'absence de
transuraniens (Z>92).
HISTOIRE
On peut sensiblement confondre la masse atomique exprimée en grammes
avec le nombre A de nucléons contenus dans l'atome. On a très vite songé à
classer les éléments par ordre de masses atomiques croissantes : des périodicités
apparaissent alors pour les propriétés physiques et chimiques. Plusieurs
chimistes ont proposé de telles classifications : « vis tellurique »
de Chancourtois en 1862, table de Newlands (1863-1866), mais ils ne
purent pas imposer leurs vues. C'est Dimitri Ivanovitch Mendeleïev
(1834-1907) chimiste Russe qui, en 1869, sut tirer tout le parti de cette
classification, n'hésitant pas à laisser des cases vides (éka...) en prévoyant
la découverte des éléments correspondants, et les propriétés de ces éléments.
Certains furent découverts de son vivant : Gallium (Ga) par Lecoq de
Boisbaudran en 1875, Scandium (Sc) par Nilson en 1879 et Germanium (Ge) en
1876 par Winkler. Il serait juste de dire que Lothar Meyer, en Suisse publiait
en 1870 une classification presque identique à celle de Mendeleîev et qu'il
l'enseignait depuis plusieurs années.
Certains éléments ne se plaçant pas
de façon satisfaisante Mendeleîev suggère qu'il y avait peut-être
eu erreur dans la détermination, de leurs masses atomiques. Cela fut vérifié
pour certains d'entre eux (Yt, In, Di, Ce, Er, La, Tr, U). Mais Mendeîev dut
faire des entorses au principe de classification (voir tableau) : A
39,944 placé avant K 39,096, Co 58,94 avant Ni 58,69, Te 127,5 avant I
126,93.
C'est à la suite des travaux du physicien
anglais Moseley (Henry 1887-1915) qui étudia le spectre des rayons X
émis par les éléments, spectre caractéristique qui permet l'identification
de ces éléments, que l'on comprit que c'est le nombre Z, numéro atomique,
nombre de protons, donc d'électrons qui devait servir à classer les éléments
et non leur masse atomique (sensiblement égale à
A). C'est parce que le rapport A/Z est voisin de 2 et varie lentement
pour Z croissant que le principe de classification de Mendeleïev
"marchait" assez bien.
FONCTION
Distillation d'un mélange liquide (boisson alcoolisée par exemple)
pour obtenir un produit de composition différente (mélange eau alcool, riche
en alcool par exemple).
DESCRIPTION
ET FONCTIONNEMENT
L'appareil comprend une chaudière dont la partie inférieure est appelée
cucurbite (du latin cucurbita, courge) et dont la partie supérieure ou
chapiteau est reliée par un tube à un serpentin tubulaire entouré d'eau
froide, constamment renouvelée, et dont l'extrémité inférieure, ouverte,
permet le recueil du liquide condensé. Serpentin et cuve d'eau froide (à
circulation permanente) forment le réfrigérant. A une température fixée,
celle de la chaudière par exemple, la composition de la vapeur en équilibre
avec un mélange binaire liquide, eau-éthanol par exemple, est différente
(plus riche en éthanol par exemple) de celle du liquide (sauf cas d'azéotropie).
Cette vapeur est condensée dans le réfrigérant et fournit, dans l'exemple
choisi, un liquide plus riche en alcool que le liquide de la chaudière.
L'alambic ne permet qu'une distillation simple : on ne peut obtenir de
produit pur. Pour une meilleure séparation il faut avoir recours à la
distillation fractionnée.
HISTOIRE
Selon M. Jacques Le Breton, expert, cet alambic daterait,
approximativement, de 1820. Le règlement exigeait un examen annuel de
l'alambic par l'administration fiscale (loi de 1923 relative aux bouilleurs de
cru).
La technique de distillation est probablement fort ancienne ; elle
nous a peut-être été transmise par les arabes si l'on en juge par l'étymologie :
alambic viendrait de l'arabe : al, le, et ambic, vase à distillation. De
même le mot alcool viendrait de l'arabe al, al et cohol ou cohl, qui
signifie, à peu près, « chose subtile ».
FONCTION
Détermination d’une température de fusion et par
voie de conséquence, estimation du degré de pureté d’une
substance.
DESCRIPTION
ET FONCTIONNEMENT
Un bloc de bronze en forme de prisme à section pentagonale est chauffé
par une rampe à gaz. Sur sa face supérieure, plane et horizontale, sont
creusées cinq paires de petites cuvettes dans lesquelles on place les poudres
en petits cristaux dont on veut déterminer le point de fusion. Les flammes
sont axées sur l’arête inférieure et « lèchent » les faces
inférieures obliques. Un thermomètre peut être placé dans un canal
cylindrique creusé dans le bloc, parallèlement à sa plus grande dimension
et permet de suivre la lente évolution de la température du bloc.
« Parmi les caractères employés pour
s’assurer de la pureté d’un corps, le point de fusion est celui qui donne
le plus de garantie et celui que l’on emploie le plus fréquemment à cause
de sa facile détermination. Il est en outre d’une sensibilité très
grande, un centième d’impureté abaissant souvent le point de fusion de 10,
20, 30 degrés, et parfois plus encore. En opérant comme nous l’avons dit, et en employant
l’acide sulfurique comme liquide on peut prendre des points de fusion
jusqu’à 200 °. Au delà, l’acide fume et devient peu commode.
Pour les températures plus élevées, on
peut utiliser le bloc de Maquenne composé d’un bloc de cuivre chauffé par
le gaz, ayant dans sa masse un canaI pour le thermomètre et à la partie supérieure
de petites cupules pour recevoir la substance. »
Appareil d'éclairage portatif.
1-
Principe
L'acétylène (C2H2) est un gaz dont la combustion dégage beaucoup de
chaleur (température de flamme
très élevée) mais nécessite beaucoup d'air (12,5 volumes d'air pour un
volume d'acétylène). Cela entraîne deux conséquences : l'acétylène
doit sortir par un orifice très fin (qu'il faut souvent déboucher), et la
combustion, non parfaitement complète, produit de fines particules de carbone
qui, portées à haute température, produisent une lumière blanche et assez
intense pour en justifier l'emploi pour l'éclairage.
L'acétylène est produit facilement, à froid, par action de
l'eau sur un corps solide le carbure (acétylure) de
calcium (CaC2). La réaction laisse un résidu de chaux (Ca(OH)2).
2
- Réalisation
Un réservoir cylindrique inférieur contient le carbure de
calcium. Il est couvert par un deuxième réservoir cylindrique de
même diamètre dans lequel on verse l'eau. Un robinet à pointeau,
commandé par un bouton situé à
la partie supérieure de la lampe permet de
régler le débit (goutte à goutte) de l'eau qui tombe sur le carbure
de calcium. Le gaz produit dans le réservoir inférieur traverse par un tube
le réservoir supérieur, et vient alimenter le bec à orifice très fin, situé
à la partie supérieure. Les deux réservoirs peuvent être désassemblés
pour la vidange (de la chaux) et le
nettoyage.
3
- Autres réalisations
Certains becs comportent deux orifices fins qui se font
face. La rencontre des deux jets de
gaz produit une flamme élargie de plus grande surface lumineuse et
permettant une meilleure
combustion.
Pour de grosses installations (générateurs d'acétylène à grand débit)
on fait tomber les morceaux de carbure
dans de l'eau.
HISTOIRE
Un
"appareil à acétylène" a été porté à l'inventaire en 1892.
L'acétylène
fut découvert par Davy en 1886 ; il fut étudié par Berthelot de 1859
à 1862 qui en réalisa la synthèse. Les travaux de L. M. Bullier permirent
la préparation de grandes
quantités de carbure de calcium. On le produit
dans des fours où un arc électrique est entretenu entre deux électrodes de
graphite au sein d'une masse de chaux (3C + CaO
---> CaC2 + CO).
Les
installations domestiques d'éclairage à l'acétylène furent rares mais de
la fin du 19ème siècle et au début
du 20ème on utilisa surtout l'acétylène
pour l'éclairage portatif dans
les fermes, pour les phares de bicyclettes
et d'automobiles et
pour les bouées marines.
Avant
l'emploi de lampes électriques, on s'éclairait dans les mines de charbon
avec des lampes à flamme, mais celles-ci provoquaient de terribles
"coups de grisou". Tout en éclairant avec une flamme, la lampe Davy
devait, en principe, éviter ces catastrophes. Pour cela la flamme de
la lampe est totalement entourée par une toile métallique.
qu'est-ce
que le "grisou" ?
C'est un mélange gazeux contenant
essentiellement du méthane (CH4), combustible, libéré par
l'abattage du charbon. Il
forme avec l'air un mélange explosif.
qu'est-ce
qu'une flamme ?
C'est un gaz en mouvement, rendu lumineux,
donc visible, lorsqu'une réaction chimique (une oxydation le plus souvent) se
produit en son sein et dégage de la chaleur.
conditions
à réaliser pour qu'il y ait flamme :
Au-dessous d'une certaine température (seuil) les molécules du mélange
gazeux se heurtent sans se briser (chocs élastiques). Pour une température
suffisante, supérieure au seuil (plus grande énergie cinétique des molécules)
les chocs brisent les molécules dont les atomes se réarrangent pour former des molécules nouvelles :
avant :
molécules CH4 et O2 ;
après :
molécules CO2 et H2O ;
globalement :
CH4 + 2O2 --> CO2 +2H2O.
Les molécules sont excitées : leur retour à un état
d'énergie plus basse s'accompagne
de l'émission de photons d'où la luminosité de la flamme. La flamme se
maintient si l'énergie produite par la réaction chimique compense les pertes
de chaleur (rayonnement, conduction...)
extinction
d'une flamme :
On éteint une flamme en supprimant ou en réduisant
soit le flux de carburant gazeux,
soit le flux d'oxygène (couvrir la flamme d'une bougie avec un cône éteignoir).
Mais on peut aussi éteindre une flamme en augmentant les pertes de chaleur
pour abaisser la température au-dessous du seuil : la réaction chimique
s'arrête. Un fort débit d'air y suffit (souffler une bougie). Mais on peut
aussi faire l'expérience suivante : couvrons une flamme avec une toile
tissée avec des fils métalliques peu serrés, bons conducteurs de la
chaleur.
Les
gaz de la flamme, visibles sous la toile, sont fortement refroidis à la
traversée de celle-ci et ne réagissent plus ; ils ne sont donc plus
visibles au-dessus de la toile. Une allumette présentée au-dessus de la
toile métallique peut réamorcer la réaction chimique au dessus de la toile
et rendre ainsi visibles les gaz
qui l'ont traversée.
fonctionnement
de la lampe de Davy :
Supposons
que le mineur muni de sa lampe pénètre dans une zone où l'air
contient un gaz combustible : celui-ci entre dans la lampe, vient
au contact de la flamme qui déclenche à l'intérieur de la lampe un « mini coup de grisou » ; mais les gaz
produits, fortement refroidis en traversant
la toile métallique de l'intérieur vers l'extérieur, ne peuvent servir
d'amorce à une combustion externe. (Encore faut-il qu'il n'y ait pas de trous
dans la toile et qu'il n'y ait pas de particules incandescentes sur la toile).
La lampe sert ainsi de détecteur de grisou : il convient alors d'évacuer
la région et d'éviter toute étincelle et a fortiori de ne pas utiliser
d'allumettes.
Un
vieux registre nous apprend qu'une "lampe de sûreté de Combes",
appartenant à la collection a été réparée en 1895. Charles Pierre Mathieu
Combes (1802 - ?) a enseigné à l'école des mines de Saint Etienne. L'art
des mines lui est redevable de nombreux progrès. Faut-il rendre à César …
?
Sir
Humphry DAVY, Chimiste anglais (1778-1829) :
découvre « l'action hilarante » du protoxyde d'azote (N2O),
expérimente sur lui l'action de « la vapeur de charbon »
construit une pile diffférente et plus puissante que celle de VOLTA et découvre
les premiers phénomènes électrochimiques,
découvre potassium et sodium, proclame que le chlore est un corps simple
invente la lampe des mineurs
Membre de la Ste Royale en 1803
Correspondant de l'académie des sciences en 1818
Participe aux fouilles d'HERCULANUM (1827-1828)
FONCTION
Fournir à volonté, un gaz, par réaction, à froid, d'un liquide sur
un solide . version métallique de l’appareil de Kipp.
DESCRIPTION
ET FONCTIONNEMENT
Un tube métallique (acier inoxydable?) ouvert à sa partie inférieure,
contient le réactif solide et plonge dans le liquide que contient une grande
éprouvette en verre. Le solide peut être introduit par le haut du tube grâce
à une trappe qui peut être fermée hermétiquement. Une cloison métallique
percée de trous et située vers le bas du tube empêche le solide de tomber.
Le gaz, produit par réaction, peut se dégager
à travers un robinet situé à la partie supérieure du tube ; lorsqu'on
ferme ce robinet, la pression du gaz croît et refoule le liquide ; la réaction
s'arrête lorsque le solide est à sec. Il suffit d'ouvrir le robinet pour que
le liquide remonte dans le tube
et que la réaction reprenne. Les fines particules solides ou liquides entraînées
par le gaz sont arrêtées par un
filtre placé dans la partie supérieure du tube.
Exemples :
FONCTION
DESCRIPTION
ET FONCTIONNEMENT
La
solution aqueuse de dioxyde de carbone (CO2) est contenue dans une
bouteille de verre épais et surmontée par du
dioxyde à l’état gazeux sous pression (4 atmosphères) car la
solubilité du gaz dans l'eau croît avec la pression.
La bouteille est enveloppée d'un treillage d'osier destiné à retenir
les morceaux de verre en cas de rupture. La solution aqueuse de dioxyde CO2
est utilisée en chimie (ions, H3O+, HCO3-
...)
HISTOIRE
Selters ou Nieder-Selters est une petite ville d'Allemagne connue pour
ses eaux minérales : eau de Selters ou eau de Seltz. Moins utilisés
aujourd'hui, les siphons d'eau de Seltz étaient autrefois sur toutes les
tables des cafés.
Produit par combustion, le dioxyde CO2
fut appelé spiritus silvestris par l'alchimiste Suisse Paracelse (1493-1541) ;
il fut étudié par Van Helmont (1577-1644) qui l'appela gaz silvestre (de
ghoast, esprit en hollandais) puis par de nombreux savants au 17eme et 18ème
siècles. Mais c'est Lavoisier (1743-1794) qui établit sa composition. Une
analyse pondérale plus précise fut réalisée par J.B. Dumas (1800-1884) et
Stas (Jean-Servais 1813-1891).
FONCTION
Soit contenir de l’eau de Seltz (notice « chi 7 »),
le siphon serait muni de son dispositif de remplissage, soit contenir et délivrer
le dioxyde de soufre, ou anhydride sulfureux de formule SO2
DESCRIPTION
ET FONCTIONNEMENT
Une
bouteille en verre épais entouré d'un treillage métallique (pour retenir
les morceaux en cas de rupture) peut contenir le dioxyde de soufre liquide en
équilibre avec le gaz sous une pression d'environ trois atmosphères à la
température ambiante.
HISTOIRE
Comme le soufre, produit volcanique, son dioxyde est très anciennement
connu. Il fut étudié par Stahl (1660-1734) inventeur de la théorie du
phlogistique, par Lavoisier (1743-1794) qui réfuta le phlogistique et par Gay
Lussac (1778-1850).
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