Transcript Les Applications Industrielles des Alcalins

Les applications
industrielles des
alcalins
SOMMAIRE
Présentation des alcalins
Lithium
Sodium
L’accumulateur au lithium
L’horloge atomique
Autres applications
Les Alcalins
Les alcalins sont les éléments chimiques de la première colonne du tableau
périodique des éléments :






le lithium (Li),
le sodium (Na),
le potassium (K),
le rubidium (Rb),
le césium (Cs)
le francium (Fr)
Les métaux alcalins sont de couleur argentée, mous et de faible densité. Ils
réagissent facilement avec les halogènes pour former des sels ioniques, et
avec l'eau pour former des hydroxydes fortement basiques.
Ces éléments ont un électron sur leur couche de valence, et donc une
énergie de première ionisation assez faible.
Lithium
Le lithium est le métal ayant la plus faible masse molaire et le plus léger, avec
une densité égale à la moitié de celle de l'eau.
Le lithium est largement distribué sur la planète, mais on ne le trouve pas sous
sa forme métallique à cause de sa grande réactivité. On le trouve
principalement comme impureté dans les sels d'autres métaux alcalins.
Les sels de lithium , comme Li2CO3sont utilisés pour les traitements bipolaires
(maniaco-dépressifs)
Le lithium est aussi utilisé dans la synthèse de composés organiques, de
lentilles de télescopes
IL est surtout utilisé dans les accumulateurs
L’accumulateur au lithium
De nos jours, les équipements portables nécessitent des batteries capables de
fournir un maximum d’énergie et de puissance pour un minimum de volume
et de masse.
Compte tenu de sa faible masse volumique et de sa capacité à céder
facilement un électron le lithium est utilisé dans les accumulateurs destinés
aux appareils portables.
Le lithium est le plus réducteur des métaux. Il permet d’atteindre des tensions
de l’ordre de 4,5V contre 1,5V pour les autres systèmes.
Décharge
anode
cathode
• Le lithium est relâché par le matériau
d’intercalation hôte <H> (anode) sous
forme ionique Li+.
• Li+ migre à travers l’électrolyte et
vient s’intercaler dans le réseau
cristallin de la cathode
•La migration de chaque ion Li+ est
exactement compensé par le passage
d’un électron dans le circuit externe.
Charge
• on impose une tension à
l’accumulateur
• Li+ migre à travers l’électrolyte et
vient s’intercaler dans le réseau
cristallin du matériau hôte <H>
Les accumulateurs au lithium
Le principe de fonctionnement d’un
accumulateur au lithium est le même selon
qu’est utilisée une anode de lithium métallique
ou à base de carbone.
Dans ce cas on parle de d’accumulateur
Lithium-ion (Li-ion), car le lithium n’est
jamais sous forme métallique dans
l’accumulateur
CEA (Commissariat à l’Énergie Atomique)
Sodium
L’horloge atomique à jet de césium
« La seconde du système international d'unité est la durée de 9 192 631
770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre les deux
niveaux hyperfins de l'état fondamental de l'atome de césium 133 » .
(Bureau International des Poids et Mesures )
La seconde est l'unité qui est réalisée avec la plus grande exactitude. Cela
permet de définir le mètre (la vitesse de la lumière étant fixée par
définition à 299 792 458 m/s), ainsi que le volt.
Les meilleures horloges atomiques atteignent aujourd'hui une précision de
l'ordre de 10-14 s, elle dérivent seulement d'une seconde tous les 1 400 000
ans !
Les horloges atomiques sont employées dans les technologies de
positionnement géographique (GPS).
PHOTOS
Schéma du horloge atomique à jet
de césium
Fonctionnement
Un système physique permet de créer un jet d'atomes, dans lequel seuls les
atomes correspondant à l'état désiré sont gardés.
Le jet d'atomes dans l'état A passe dans un oscillateur à quartz et un certain
nombre ressortent dans l'état B.
L’oscillateur à quartz émet une onde de fréquence  qui permet la transition
énergétique des atomes de l'état A vers l'état B.
La sortie du jet atomique est analysée : on compte le nombre d'atomes dans l'état
B.
Plus la fréquence de l'oscillateur à quartz est proche de , plus le nombre
d'atomes B comptés en sortie est grand et donc plus  est proche de la fréquence
correspondant à la transition énergétique entre les états A et B.
La fréquence  est de 9 192 631 770 Hz.
Autres applications
• Anti-maniaco-dépressif (sels de lithium)
• Verres et céramiques à faible expansion thermique
• Extraction du CO2 de l’air dans milieux confines
• Alliages
•Transfert de chaleur convection dans les climatisations (lithium)
• Fluide caloporteur dans certains réacteurs nucléaires (sodium)
•Capteur de gaz pour tube cathodique et tube électronique pour parfaire
le vide (rubidium)
• Produits pharmaceutiques, cosmétiques, pesticides (sodium)
Le Francium
C'est l'élément naturel le plus rare : il n'en existerait que quelques dizaines de
grammes sur toute la Terre.
Cette rareté est due à son existence transitoire, en tant que produit de
désintégration de l'actinium.
La demi-vie de l'isotope le plus stable 223Fr est de 23 minutes, puis il se
transforme lui-même en radon par désintégration bêta ou en astate par
rayonnement alpha.
Il n'a pas d'utilisation connue.
Photos de l’horloge atomique
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Structure hyperfine
L'observation à haute résolution des raies lumineuses d'un spectre
d'émission ou d'absorption met en évidence la présence d'une superposition
de plusieurs composantes au sein d'une même raie.
Une raie principale est donnée par le nombre quantique principal n
caractérisant les états propres des fonctions d'onde de ses orbitales
électroniques. Dans un même niveau quantique principal, la théorie va
donner pour un même nombre quantique n une série de sous-niveaux
correspondant à des états quantiques dégénérés qui vont être créés par les
diverses interactions physique au sein de l'atome (interaction spin-orbite,
effets de volume, effets de masse...). Ces sous-niveaux sont en fait la cause
de la structure composée de la raie principale observée dans le spectre. On
parle alors de structure fine voir hyperfine pour certains atomes dans des
conditions particulières de champ magnétique.
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Sources
Wikipédia.fr
CEA Commissariat à l’Energie Atomique