Autour des nanotubes de carbone. Bac S Nlle Calédonie  2013


Objets les plus résistants connus à ce jour, les nanotubes de carbone présentent également une excellente conduction thermique et électrique les destinant à de nombreuses applications : composites légers, muscles artificiels, textiles intelligents, capteurs.... Cependant pour exploiter ces propriétés, il est nécessaire de les assembler. C'est chose faite par une équipe de chercheurs qui ont mis au point un procédé permettant d'obtenir une fibre macroscopique à base de nanotubes de carbone. Ces fibres possèdent des énergies de rupture ( énergie que la fibre est capable d'absorber sous forme de déformation avant de se rompre ) égale à 5 fois celle de la soie d'araignée, matériau inégalé jusqu'alors.
Cette résistance est une propriété recherchée dans les textiles de protection comme les casques, les gants, les vétements de manutention, les gilets pare-balles. la conductivité électrique laisse entrevoir la possibilité de réaliser des textiles conducteurs : tissus d'ameublement antistatiques, sièges automobiles ou textiles chauffants, vêtements capteurs de déformation et de mouvement... D'après www.cnrs.fr.
Cet exercice s'intéresse à une méthode d'obtention de nanotubes de carbone monofeuilletés ( notés par la suite SWNT et à l'évolution précise de la nature et de la quantités des défauts oxygénés. En effets, les propriétés chimiques, électriques et mécaniques des nanotubes de carbone varient considérablement en présence de groupe fonctionnels ( carbonyle, hydroxyle...).
Expliquer la nécessité d'un traitement oxydant des nanotubes bruts. Quel est l'impact de ce traitement sur les propriétés des nanotubes ?
Le matériau brut est constitué de nanotubes de carbone, d'agrégats carbonés et de particules métallique de catalyseur.Le traitement oxydant dispersent les agrégats et oxyde les résidus métalliques.

Mais ce traitement conduit à la formation de nombreux groupes oxygénés ( C=O, C-OH, C-O-C ) à la surface des nanotubes. Les propriétés mécaniques, électriques et thermiques des nanotubes sont alors modifiées.
Expliquer la présence d'ions métalliques dans le filtrat obtenu suite au traitement oxydant.
L'oxydation des particules métalliques du catalyseur par l'acide nitrique concentré à chaud conduit à la formation d'ions métalliques.
On admet que les nanotubes analysés possèdent au moins deux défauts oxygénés -( hydroxyle (SWNT-OH) et carboxyle (SWNT-COOH). Il s'agit d'étudier la démarche à mettre en oeuvre pour déterminer sélectivement, par dosage pHmétrique, la quantité de groupe carboxyle dans cet échantillon.
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 Après avoir expliquer pourquoi un titrage direct des groupes carboxyle n'est pas possible, présenter le principe du protocole permettant de mesurer uniquement la quantité de matière des groupes carboxyle.
On dispose des solutions aqueuses suivantes : hydroxyde de sodium, hydrogénocarbonate de sodium, acide chlorhydrique ; un échantillon de nanotubes de carbone monofeuilleté préparé par la méthode décrite ci-dessus et traité par la solution oxydante.
La réaction support d'un titrage direct doit être rapide et totale.
Or les nannotubes de carbone ne sont pas solubles dans l'eau, ils restent en suspension dans l'eau. Les réactions de déprotonation des groupes hydroxyle et carboxyle sont lentes, nécessitent une agitation longue pour atteindre un rendement de 100 %.

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Parmi les réactifs proposés, seul l'ion hydrogénocarbonate réagit sélectivement avec les groupes carboxyles ( les groupes hydroxyles ne réagissent pas). Cette réaction est de plus totale.
Première étape du dosage indirect en retour :
SWNT-COOH (s) + (Na+aq +HCO3-aq ) en excès --> (SWNT-COO-, Na+)(s) +H2O(l) + CO2aq.
Seconde étape : titrage de l'excès d'ion hydrogénocarbonate par l'acide chlorhydrique.
La réaction support du titrage est rapide et totale.
HCO3-aq + H3O+aq ---> 2H2O(l) + CO2aq.








  

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