Anomalie dilatometrică

Anomalia mercur din sticlă este o proprietate singulară a comportamentului anumitor organisme a căror densitate , în loc să crească în mod continuu ( în special în timpul modificărilor de stat ) în timpul răcirii lor, dimpotrivă scade de la o temperatură precisă, uneori doar peste anumite intervale de temperatură: cu alte cuvinte , în aceste intervale, corpul se extinde atunci când temperatura acestuia scade. Apa are o anomalie mercur din sticlă.

Exemple

Mai multe elemente chimice prezintă o densitate anomalie: antimoniu , bismut , galiu , germaniu , plutoniu și siliciu ca și anumite aliaje , cum ar fi zirconiu Wolframat α-ZrW 2 O 8și cianură de zinc. Claude Pouillet a observat deja în 1836 că „într-o anumită măsură a scării termometrice, oțelul întărit se contractă în loc să se extindă; aceasta este o excepție remarcabilă care se referă, fără îndoială, la starea în care se găsesc moleculele. „ Dar cel mai important organism chimic care are această anomalie este încă apa.

Carcasă de apă

Date empirice

În condiții normale de presiune, apa atinge densitatea maximă de aproximativ 1000  kg și · m -3 până la 3,98  ° C . Sub 3,98  ° C , apa începe să se extindă pe măsură ce temperatura scade (inclusiv în timpul înghețului ). Conform celor mai recente măsurători, densitatea maximă a apei ar fi ( 999,974 0,00 950 ± 084  kg · m -3 ) la o temperatură de 3,983 ± 0,00 067  ° C  : acest interval rezultă din media rezultatelor obținute în 2005 de diferite institute germane de fizică.

Putem exprima legea variației densității ρ LF a apei libere de oxigen dizolvat în funcție de temperatura T ([ T ] = ° C) folosind ecuația virială  :

unde coeficienții au valoarea:

a 0 = 999,839 52  kg · m -3  ; a 1 = 16,952 577  kg · m -3 · ° C -1  ; a 2 = -7.990 512 7 × 10 -3  kg · m -3 · ° C -2  ; a 3 = -4.624 175 7 × 10 -5  kg · m -3 · ° C -3  ; a 4 = 1,058 460 1 × 10 -7  kg · m -3 · ° C -4  ; a 5 = -2.810 300 6 × 10 -10  kg · m -3 · ° C -5  ; și b = 0,016887 2  ° C -1 .

În ceea ce privește densitatea apei saturate cu aer dizolvat, putem corecta ecuația anterioară după cum urmează:

.

Mecanism

În stare solidă (în cazul apei, vorbim evident de „  gheață  ”), cristalizarea are ca rezultat un teanc ordonat de molecule care formează o rețea cristalină reală . În stare lichidă, aceeași cantitate de molecule ocupă în mod normal un volum mai mare din cauza vitezei mari a moleculelor și a existenței unei căi libere medii . Și din moment ce volumul crește, densitatea trebuie să scadă (masa fiind constantă). Haosul devine extrem în starea gazoasă: moleculele se îndepărtează în medie cât mai mult posibil, astfel încât să umple volumul disponibil cât mai uniform posibil.

Explicația pentru anomalia dilatometrică a apei constă în formarea lanțurilor moleculare prin legarea hidrogenului . Datorită formării specifice a acestor lanțuri, structura cristalină solidă ocupă mai mult spațiu decât moleculele disjuncte și mobile ale stării lichide. Solidificarea este un proces treptat, ceea ce înseamnă că în stare lichidă există deja agregate de molecule de apă legate. La 3,98  ° C apa se află într-o stare în care aceste agregate ocupă un volum minim: densitatea sa este atunci maximă. Pe măsură ce temperatura continuă să fie redusă, evoluția continuă a structurii cristaline necesită tot mai mult spațiu; când, dimpotrivă, temperatura crește, agitația moleculară dă naștere unei căi libere medii diferite de zero, ceea ce duce la o expansiune aparentă.

Consecință pentru limnologie

Anomalia dilatometrică a apei joacă un rol considerabil în supraviețuirea speciilor de lacuri în zonele glaciare. Astfel, datorită acestei anomalii dilatometrice, sub o temperatură de 4  ° C, apa rece de la suprafață nu mai convectează în jos, ceea ce împiedică răcirea apei mai adânci. Există o inversare a stratificării termice între vară și iarnă (vezi il. Opus), dând naștere unui strat de inversare iarna  : apele adânci rămân relativ izoterme, iar animalele și plantele pot, într-o anumită măsură, să supraviețuiască sub gheață .

Note și referințe

  1. Germanat de cupru și fier Cu 2 Fe 2 Ge 4 O 13, monoclinic și alcătuit din lanțuri de octaedre FeO 6zigzag; are un coeficient de expansiune termică unidirecțional negativ între 40  K și 200  K  ; cf. (ro) GJ Redhammer, M. Merz, G. Tippelt, K. Sparta, G. Roth, W. Treutmann, W. Lottermoser și G. Amthauer, „  Rafinarea structurii cristaline dependente de temperatură și spectroscopia de 57 Fe Mössbauer a Cu 2 Fe 2 Ge 4 O 13 » , Acta Cryst. B , vol.  63, nr .  1,2007, p.  4-16 ( DOI  10.1107 / S0108768106051652 ).
  2. Acest aliaj se contractă atunci când temperatura crește între - 272,85  ° C și 777  ° C , la care temperatură materialul se disociază. Acest fenomen a fost observat și pentru alți membri ai familiei AM 2 O 8(A = Zr sau Hf și M = Mo sau W); cf. pe acest subiect (ro) LD Noailles, H.-h. Peng, J. Starkovich și B. Dunn, „  Extinderea termică și formarea fazei ZrW 2 O 8Aerogels  ” , Chem. Mater. , vol.  16, n o  7,2004, p.  1252–1259 ( DOI  10.1021 / cm034791q ).
  3. Citat din Claude Pouillet , Elements of Physical Experimental and Meteorology , Bruxelles, Louis Haumant and Co.,1836, Cartea II - La căldură, "V - La dilatarea solidelor", p.  108. .
  4. Expansiunea apei între 4  ° C și 0  ° C a fost descrisă de Hippolyte Fizeau în 1866: vezi bibliografia de mai jos.
  5. Potrivit lui H. Bettin și F. Spieweck, "  Die Dichte of Wassers als Funktion der Temperatur nach der Einführung von Internationalen Temperaturskala 1990  " PTB-Mitteilungen , seria 100 E , n o  3,1990, p.  195.

Bibliografie