Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
La plupart du temps, l’étude des réactions se limite exclusivement aux réactions « en phase homogène », c’est-à-dire à celles qui se produisent entre gaz ou dans les liquides (réactions acide/base, oxydoréduction...). Or, dans de très nombreux cas, les réactions impliquent un solide et un fluide (gaz ou liquide), constituant ainsi des systèmes « hétérogènes ». Cet article se propose de présenter l'essentiel de ce qu'il faut savoir pour expliquer les réactions physico-chimiques impliquant un solide chauffé, et cela de façon aisément accessible à un non-spécialiste. Sont ainsi introduits la théorie de réactivité du solide, et les aspects thermodynamiques qui lui sont associés. Cette approche permet d’aborder la formation de couches minces et la notion de vitesse de réactions intervenant dans les solides.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Pierre LEFORT : Professeur à l'université de Limoges
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Stéphane VALETTE : Maître de Conférences à l'université de Limoges
INTRODUCTION
Les programmes scolaires et universitaires consacrent une part assez large à l'étude des réactions. Mais celle-ci se limite presque exclusivement aux réactions qui se produisent entre gaz ou dans les liquides (réactions acide/base, oxydoréduction…). Dans chacun de ces cas, tout se passe au sein d'une même phase : il s'agit de réactions dites « en phase homogène ». Or, dans de très nombreux cas, dont quelques-uns sont cités dans le cours de ce dossier, l'ingénieur est confronté à des réactions impliquant un solide et un fluide (gaz ou liquide) qui constituent des systèmes « hétérogènes ». Il se trouve alors particulièrement démuni, car, outre le fait qu'il n'a souvent pas étudié ce genre de système durant sa formation, les réactions mises en cause sont généralement très complexes. Pour décrire celles affectant les solides portés à température élevée, plusieurs ouvrages de qualité [1] [2] [3] [4] [5] sont disponibles en langue française, car ce domaine de recherche est bien couvert en France par des spécialistes reconnus internationalement et, en langue anglaise, il faut citer le livre de référence de P. Kofstad [6]. Cependant, ces ouvrages exhaustifs sont naturellement volumineux, et il a paru utile de proposer, dans un espace limité, l'essentiel de ce qu'il faut savoir pour expliquer les réactions physico-chimiques impliquant un solide chauffé, et cela de façon aisément accessible à un non-spécialiste. Ce choix a évidemment pour conséquence la nécessité de ne détailler que très peu les notions auxquelles il est fait appel : le lecteur trouvera les compléments qui pourraient lui manquer dans les ouvrages ci-avant, ou dans les articles cités en référence dans le cours du texte.
La cinétique des réactions du solide à températures élevées fait l'objet de deux dossiers : [AF 3 688] Partie 1 et [AF 3 689] Partie 2.
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Réactivité et cinétique
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4. Vitesse des réactions intervenant dans les solides à l'échelle atomique
En suivant toujours la même réaction :
on a noté, à l'examen de la figure , que le film mince de MG peut faire une barrière entre le solide initial M et le gaz G2 . La question centrale de la réactivité du solide est : par quels mécanismes et à quelle vitesse la réaction peut-elle se poursuivre dans ces conditions ? Pour y répondre, il convient d'examiner ce qui se passe dans les solides à l'échelle atomique. Cela suppose cependant quelques conditions concernant le produit solide formé MG.
4.1 Conditions concernant le film de produit formé
Le solide MG doit répondre à certaines caractéristiques pour constituer entre M et G2 une barrière étanche, mais néanmoins partiellement franchissable (sinon la réaction s'arrêterait complètement). L'étanchéité requiert qu'il soit compact, adhérent au solide M et non fissuré, sinon le gaz G2 pourrait continuer à accéder à M en passant au travers de ces pores et de ces fissures, si bien que la réaction pourrait se développer en ignorant la présence de MG.
HAUT DE PAGE4.1.1 Coefficient d'expansion volumique supérieur à 1
La première condition pour que MG fasse barrière entre M et G2 est que le volume de MG formé soit supérieur au volume de M consommé pour le former. Cela se calcule facilement, et Pilling et Bedworth ont proposé (en 1923) de quantifier cela par le rapport Δ, appelé...
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