Autour des
nanotubes de carbone. Bac S Nlle
Calédonie 2013
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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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