DIFFUSION DES GAZ DANS LES SOLIDES

l'hydrogène carboné, l'hydrogène sulfuré (ces trois derniers corps destinés à s'oxyder en arrivant à la surface) ne seraient que les derniers r'esles de cette atmosphère emmagasinée par les roches en fusion : comme les fluorures, chlorures et sulfures métalliques qu'amènent encore nos laves ne sont, d'après les belles recherches de M. Élie de Beaumont, que les derniers représentants des matières qui se sont successivement séparées des roches éruptives pour former les filons concrétionnés l. »

O -r-Almnnoii.

Akilfcda

Fig. 544. — Fragment de la carte de la Lime de Beer et Msedler.

En citant ces vues de notre savant météorologiste et géologue, vues qu'il présentait d'ailleurs sous toutes réserves, nous avons voulu montrer une fois de plus comment de simples recherches de laboratoire peuvent éclairer des points obscurs des sciences naturelles, et fournir d'intéressantes conjectures sur la constitution physique de notre planète, comme sur celle de corps que nous ne pouvons atteindre que par la pensée.

Revenons aux phénomènes de diffusion des gaz dans les corps solides.

1. Comptes rendus de l'Académie des sciences pour 1864, t. I.

On vient de voir que M. Ch. Sainte-Claire Deville considérait les substances volatiles que renferment les laves siliceuses comme solidifiées en quelque sorte dans la matière vitrifiée. Lorsque Graham découvrit la propriété qu'a le caoutchouc de séparer l'azote et l'oxygène de l'air, il donna de ce fait une interprétation à peu près semblable, qu'il étendit aux autres phénomènes de perméabilité des métaux ou des corps poreux poulies gaz. Pour lui, celte absorption de gaz détermine vraisemblablement leur liquéfaction. Comment expliquer autrement la curieuse propriété du palladium d'absorber et de condenser jusqu'à 660 fois son volume d'hydrogène à l'état de noir, à plus de 900 fois sous l'influence du courant de la pile ? celle du platine d'absorber pareillement plusieurs centaines de volumes du même gaz? Si une membrane de caoutchouc sépare l'oxygène de l'azote quand ces deux gaz de l'air traversent cette substance, c'est qu'elle a la propriété de liquéfier chacun de ces gaz; sous la forme liquide, ils cheminent séparément avec des vitesses inégales à l'intérieur de la membrane, pour s'évaporer à nouveau dans le vide et reprendre l'état gazeux.

C'est en étudiant l'occlusion de l'hydrogène par le palladium que Graham arriva à cette autre conclusion curieuse, que le gaz ainsi condensé n'est autre chose qu'un métal, auquel il donna le nom àliydrogénium. En prenant un fil de palladium forgé, en en faisant le pôle négatif d'une petite pile de Bunsen, dont un fil épais de platine était le pôle positif, le savant physicien anglais parvint à charger le fil de 936 fois son volume de gaz hydrogène. Après l'expérience, qui dura une demi-heure, on constata une augmentation de longueur du fil et une augmentation correspondante de son poids. A l'aide d'une pompe Sprengel, l'hydrogène occlus fut extrait, son volume recueilli et mesuré en le réduisant à 0° et à la pression 760. Les conclusions de cette expérience, qui fut répétée dans des conditions variées, furent ainsi résumées par l'auteur dans la note qu'il présenta en janvier 1869 à l'Académie des sciences : « Dans le palladium complètement chargé d'hydrogène, par exemple dans le fil de

L'HYDROGÉNIUM.

palladium soumis à l'Académie, il existe un composé de palladium et d'hydrogène, dans des proportions qui sont voisines de celles d'équivalent à équivalent. Les deux substances sont solides, métalliques et blanches. L'alliage contient environ 20 volumes de palladium pour 1 volume d'hydrogénium, et la densité de ce dernier est égale à 2, un peu plus élevée que celle du magnésium, avec lequel on peut supposer que l'hydrogénium possède quelque analogie1. Cet hydrogénium possède un certain degré de ténacité, et il est doué de la conductibilité électrique d'un métal. Enfin, l'hydrogénium prend place parmi les métaux magnétiques. Ce fait se relie peut-être à la présence de l'hydrogénium dans le fer météorique, où il est associé à certains autres éléments magnétiques.

« Les propriétés chimiques de l'hydrogénium le distinguent de l'hydrogène ordinaire. L'alliage de palladium précipite le mercure et son protochlorure d'une dissolution de bichlorure de mercure, sans aucun dégagement d'hydrogène, c'est-à-dire que l'hydrogénium décompose le bichlorure de mercure, ce qui n'a pas lieu avec l'hydrogène. Ce fait explique pourquoi M. Stanislas Meunier ne réussit pas à trouver l'hydrogène occlus par le fer météorique, en dissolvant celui-ci clans une solution de bichlorure de mercure, l'hydrogène étant employé comme le fer lui-même à la précipitation du mercure. L'hydrogénium (associé au palladium) s'unit avec le chlore et l'iode dans l'obscurité, réduit les sels de peroxyde de fer à l'état de protoxyde, transforme le prussiate rouge de potasse en prussiate jaune, et possède enfin une puissance désoxydante considérable. Il paraît constituer la forme active de l'hydrogène, comme l'ozone est celle de l'oxygène. »

11 est impossible de ne pas rapprocher ces vues hardies du savant anglais des expériences qui ont été faites ces années

1 . Une autre interprétation des phénomènes de dilatation et de retrait que subît le fd quand il est pénétré .par le gaz et qu'on l'en expulse, donne une densité moitié moindre. D'autres expériences sur des alliages tertiaires d'hydrogénium et de platine, d'or, d'argent, ont fait adopter à Graham le nombre 0,755 comme représentant approximativement la densité de ce métal.

dernières sur la liquéfaction des gaz permanents, et notamment de l'hydrogène, expériences qui, on se le rappelle peut-être, ont fait l'objet d'une description détaillée dans le tome IV du Monde physique.

§ 4. LES MOLÉI1ULES DES CORPS. — NOMBRE ET DIMENSIONS; VITESSE DE LEURS MOUVEMENTS ; COLLISIONS.

Aucun œil humain n'a jamais aperçu, môme à l'aide du plus puissant microscope, aucune main n'a jamais manié une molécule isolée d'un corps ; et cependant toutes les notions que la physique et la chimie ont successivement accumulées et qui sont susceptibles d'éclairer le problème obscur de la constitution de la matière, amènent à une même conclusion, que les molécules (ou les atomes) sont des portions définies, occupant un volume fini dans l'espace.

En admettant celte manière de voir comme fondée, une foule de questions se posent devant notre curiosité, devant notre insatiable désir d'aller au fond des choses, et nous nous demandons quelles sont les dimensions réelles des molécules, à quelles distances elles se trouvent les unes des autres dans les corps, solides, liquides ou gazeux, en quel nombre elles existent en un volume donné, ou du moins entre quelles limites oscillent les nombres qui mesurent ces dimensions ou ces distances. Nous voudrions savoir comment elles réagissent les unes sur les autres et nous posons aussi la question, peut-être à jamais insoluble, de la possibilité ou de l'impossibilité de l'action à distance. Si les molécules sont en mouvement, comme tout le prouve, quelles lois suit ce mouvement, quelle en est la vitesse? varie-t-elle avec la nature des substances, et que se passe-t-il quand ces projectiles infiniment petits arrivent en collision?

Toutes ces questions ont été abordées* sinon résolues, suivant diverses méthodes, par les savants contemporains, et leurs

conjectures, basées sur les faits les mieux établis et les expériences les plus nettes, si elles ne sont pas pour cela des mérités démontrées, sont trop intéressantes pour que nous n'essayions pas d'en résumer au moins les principaux traits.

On peut se faire une idée de la dimension et du nombre des molécules d'un corps en partant des dernières parties visibles au microscope. C'est ce qu'a fait Gaudin dans son curieux ouvrage, V Architecture du monde des A tomes. On sait que notre habile et savant constructeur Froment était arrivé à diviser, par des moyens mécaniques d'une extrême délicatesse, un millimètre en mille parties égales. Vues avec un puissant microscope, ces divisions paraissaient aussi régulières que celles du mètre divisé en millimètres. Or il existe des infusoires si petits que leur corps est tout .entier compris dans la largeur d'une de ces divisions. Qu'on juge par là de la petitesse de l'un des cils vibratiles avec lesquels se meuvent ces infiniment petits organisés. Un calcul aisé amène Gaudin à évaluer les dimensions des molécules dont ces organes sont formés, au maximum à un millionième de millimètre. En supposant que le diamètre de l'une d'elles comprenne 10 distances d'atome, et en comptant le nombre des atomes que peut contenir une tête d'épingle de 2 millimètres de côté, il trouve pour ce nombre total le cube de 20 millions environ, soit

« De sorte, ajoute-t-il, que si l'on voulait compter le nombre des atomes métalliques contenus dans une grosse tête d'épingle, en en détachant chaque seconde par la pensée 1 milliard, soit 1000 millions, il faudrait continuer cette opération pendant plus de deux cent cinquante mille ans, exactement 255 678 ans. »

Par des considérations sur les actions moléculaires, beaucoup trop abstraites et ardues pour que nous essayions d'en donner une idée, M. A. Dupré est arrivé à une formule qui exprime la limite inférieure du nombre des molécules qui peuvent

être contenues clans un millimètre cube d'un corps quelconque. En appliquant cette formule au cas de l'eau, il trouve pour ce nombre

Ainsi, « dans un cube d'eau ayant pour côté un millième de millimètre, lequel pèse mille millions de fois moins que un milligramme, et ne peut être vu qu'à l'aide d'un bon microscope, il y a donc plus de deux cent vingt-cinq mille millions de molécules1. »

En adoptant pour le dénombrement de ces molécules le procédé cité plus haut, en comptant 1 milliard de molécules par seconde, il ne faudrait pas moins, pour en venir à bout, de sept mille années!

Sir William Thomson a envisagé de plusieurs manières différentes le problème qui consiste à déterminer les limites de distance et de dimension des atomes. S'appuyant sur les calculs de Cauchy et sur cette proposition du célèbre mathématicien que la sphère des actions moléculaires, dans les corps transparents solides ou liquides, est comparable aux longueurs d'onde des rayons de lumière, il arrive à cette conséquence que, « dans ces corps, le diamètre d'un atome ou plutôt la distance du centre d'un atome au centre de l'atome le plus rapproché est à peu près égale au dix-millième de la longueur d'onde, c'est-àdire à un vingt-millionième de millimètre ». Il obtient des nombres sensiblement pareils par des considérations de thermodynamique, soit en évaluant le travail de l'attraction d'une pile imaginaire formée de 50 000 plaques de zinc et de 50 000 plaques de cuivre de 0mm,0001 d'épaisseur et de 1 centimètre carré de surface, séparées par des intervalles de 0mm,0001, soit en calculant le travail, et son équivalent en chaleur, d'une bulle de savon qui se gonfle jusqu'à la limite de sa force contractile. Enfin, prenant pour point de départ la nouvelle théorie des gaz proposée, dès 1758, par Daniel Bernouilli, reprise dans

I . Tliéoric mécanique de la Chaleur, par M. Alhanase Dupré, ch. îx.

notre siècle par Herapath, et développée par les travaux cle Joule, de Krœnig, de Clausius, de Maxwell, sir W. Thomson arrive à comprendre entre deux limites les distances des molécules gazeuses, et leurs diamètres. Mais nous ne pouvons donner une idée de la chaîne des raisonnements qui conduisent au résultat qu'en citant textuellement le savant anglais :

« Bien qu'on ne sache pas, dit-il, ce que c'est qu'un atome, on peut admettre comme une vérité scientifique établie, qu'un gaz est formé par des molécules en mouvement que des chocs ou influences réciproques empêchent de suivre des lignes droites avec des vitesses constantes, et qui sont distribuées de telle manière, que la longueur moyenne des parties presque rectilignes de la trajectoire de chaque molécule est égale à plusieurs fois la distance moyenne du centre de la molécule au centre de la molécule la plus voisine. Si ces molécules étaient des globes élastiques durs, et agissant les uns sur les autres par leur contact, leurs trajectoires seraient des zigzags, composés dé parties rectilignes subissant des changements brusques de direction. C'est en partant de celte hypothèse que Clausius a prouvé, par une simple application du calcul des probabilités, que la longueur de la trajectoire libre parcourue par chaque molécule entre deux chocs consécutifs est au diamètre de ce globe, dans le rapport de tout l'espace dans lequel les globes se meuvent, à 8 fois la somme de leur volume. D'où il résulte que le nombre de globes contenus dans l'unité de volume est égal au carré de ce rapport divisé par le volume d'une sphère dont le rayon est égal à la longueur moyenne cle cette trajectoire. Mais nous ne pouvons admettre que les molécules d'aucun gaz soient des globes élastiques durs. Deux quelconques d'entre elles doivent, dans tous les cas, agir l'une sur l'autre, de telle manière que lorsqu'elles arrivent très près l'une de l'autre, elles subissent un changement de direction et de vitesse. Ces actions réciproques (que nous appelons forces), étant différentes à différentes distances, doivent varier avec ces distances suivant une certaine loi. Or, si les molécules étaient des globes élas-

tiques durs agissant seulement par leur contact, la loi de la force serait zéro lorsque la distance entre deux centres serait plus grande que la somme des rayons, et répulsion infinie lorsque cette distance serait moindre que la somme des rayons. L'intervalle entre ces deux limites doit évidemment être un peu rétréci; et nous admettons, quant à nous, comme beaucoup plus probable, que les molécules qui constituent les gaz sont élastiques molles. Car, d'après les expériences de Maxwell sur les variations de la fluidité des gaz, le temps qui s'écoule entre deux chocs consécutifs des molécules gazeuses est indépendant de la vitesse avec laquelle ces molécules se meuvent, ce qui ne saurait avoir lieu que pour des molécules élastiques molles ; pour des molécules dures, le temps qui s'écoule entre deux chocs consécutifs serait inversement proportionnel aux vitesses du mouvement des molécules.

« Nous savons, par les travaux de Joule, Maxwell et Clausius, que la vitesse moyenne des molécules de l'oxygène, de l'azote et de l'air atmosphérique est, à la température et à la pression ordinaires, d'environ 500 mètres par seconde et que le temps moyen entre deux chocs consécutifs est de 1 cinqmille-millionième de seconde. Il en résulte que la longueur moyenne de la trajectoire de chaque molécule entre deux chocs consécutifs est d'environ 0mm,0001. Maintenant, comme nous avons abandonné l'hypothèse des molécules élastiques dures, où dimensions des molécules et chocs avaient une signification parfaitement nette, il nous faut définir ces termes. Pour cela, remarquons que, lorsque deux molécules se heurtent, la distance de leurs centres est minimum, et que, lorsqu'elles se quittent, en vertu de la répulsion qui suit le choc, cette distance, augmente. Si les molécules étaient dures, le minimum de la distance des centres serait égal à la somme des rayons; mais en réalité il est très différent dans différents chocs ; et nous pourrons, en considérant seulement le cas de molécules égales, définir le rayon d'une molécule la moitié de la moyenne de la plus courte dislance des cenlres dans un grand nombre de chocs.

« Le diamètre d'une molécule sera, d'après cela, le double du rayon ainsi défini, et son volume une sphère de ce rayon ou de son diamètre. La définition du rayon que nous venons d'adopter n'est pas tout à fait exacte, mais nous l'admettons ici pour nous rendre plus facile la combinaison que nous nous proposons de faire des résultats obtenus par Clausius et Maxwell.

« D'après les expériences de Cagniard de la Tour, Faraday, Regnault et Andrews sur la condensation des gaz, il faut admettre qu'aucun gaz ne peut être rendu 40000 fois plus dense qu'à la pression et à la température ordinaires sans que son volume soit devenu plus petit que la somme des volumes de ses molécules. Donc, d'après le grand théorème de Clausius cité plus haut, la longueur moyenne de la trajectoire entre deux chocs consécutifs ne peut pas être plus grande que 5000 fois le diamètre de la molécule, et le nombre des molécules dans l'unité de volume ne peut dépasser 20 000 000, divisé par le volume d'une sphère ayant celte longueur moyenne pour rayon .

« La longueur de la trajectoire étant égale, comme nous venons de le montrer tout à l'heure, à 1 dix-millième de millimètre, le diamètre des molécules gazeuses ne doit pas être moindre que 5 dix-millionièmes de millimètre, et le nombre des molécules dans un centimètre cube de gaz, à la densité ordinaire, ne peut être plus grand que 6xl021, ou

« Quant aux solides et j aux liquides, leur densité étant de 5 à 16000 fois plus grande que celle des gaz, le nombre de leurs molécules, dans 1 centimètre cube, est de 5 x 1022 à 102c. La distance des centres de deux molécules sera, d'après cela, de 14 à 46 dix-millionièmes de millimètre1. »

Comment, d'après toutes ces données, se figurer la constilu-

1. Sir W. Thomson, Les dimensions des atomes (Nature^ Irai, de la Revue scientifique) .

tion d'un corps, par exemple celle d'une goulle de pluie ou d'un globule de verre de la dimension d'un pois? Ces parcelles de matière, si infimes en comparaison de nos propres dimensions, à plus for le raison en regard de la Terre même, sont en réalité des mondes. Nous venons de voir quel temps prodigieux serait nécessaire, non pas pour compter un à un les atomes qui les composent, mais seulement les groupes d'un milliard d'atomes. Thomson lait une comparaison qui donne , au point de vue de l'espace, la même impression de quasi-infinité que celle de Gaudin au point de vue du temps. « Agrandissons par la pensée, suppose-t-il, l'agglomération de molécules qui forme une goutte d'eau, el conservons à leurs diamètres et à leurs distances les mêmes grandeurs relatives jusqu'à ce que la goutte soit devenue en grosseur égale au volume de notre Terre. La sphère ainsi obtenue sera composée de petites sphères plus grosses que des grains de plomb et plus petites que des balles de cricket ou des oranges. »

Nous allons reproduire maintenant, d'après Clerk Maxwell, un tableau où se trouvent résumées quelques-unes des données moléculaires, calculées par les diverses méthodes précédentes, méthodes que nous n'avons fait qu'indiquer, mais qui s'accordent toutes à fixer pour les données en question des nombres de même ordre de grandeur. Ces données sont relatives aux quatre gaz hydrogène, oxygène, oxyde de carbone et acide carbonique. Voici ce tableau :

Oxyde

Acide

Hydrogène.

Oxygène.

de carbone.

carboniq

Masse de la molécule (hydro-

k gène == i)

Première

) Vitesse moyenne en mètres

catégorie.

Trajet moyen en dix-millio-

i nièmes de millimètre. .

Nombre de millions de colli-

Deuxième

sions par seconde ....

catégorie.

Diamè tre en dix-millionièmes

'troisième

Poids (unité = 1 milligr.

catégorie.

Nous terminerons ce court chapitre sur la physique moléculaire et le dernier volume de cet ouvrage par une pensée dont la portée nous semble profonde et que nous empruntons au dernier physicien que nous venons de mettre à contribution, à M. Clerk Maxwell.

Mettant en opposition l'immuabililé des propriétés des molécules elles-mêmes, avec la variété de celles qui appartiennent aux corps qu'elles constituent, il insiste sur cette vérité que la physique et la chimie moderne ont posée comme le fondement inébranlable de la science, à savoir que les molécules de même espèce chimique restent absolument identiques à elles-mêmes et invariables, quelles que soient les évolutions des corps organiques ou inorganiques où elles se trouvent, dans quelque combinaison que la suite des temps puisse les appeler à entrer. « Considérons, dit-il, les propriétés de deux sortes de molécules, celles de l'oxygène et de l'hydrogène. Nous pouvons nous procurer des spécimens d'oxygène de sources très différentes, de l'air, de l'eau, des roches de chaque époque géologique. L'histoire de ces spécimens a été très différente; et si pendant des milliers d'années la diversité des circonstances pouvait produire une différence de propriétés, ces échantillons d'oxygène l'auraient montré. Nous pouvons également tirer de l'hydrogène de l'eau, de la houille, ou, comme Graham l'a fait, du fer météorique. Prenez 2 litres de n'importe quel spécimen d'hydrogène, il se combinera exactement avec 1 litre de n'importe quel échantillon d'oxygène, et formera exactement 2 litres de vapeur d'eau. Si, pendant toute l'histoire antérieure de l'un et de l'autre de ces spécimens, emprisonnés dans les roches, coulant dans la mer, ou parcourant des régions inconnues avec les météorites, si une modification quelconque avait eu lieu, ces relations ne seraient plus conservées. » C'est ainsi encore que la lumière des étoiles, analysée au speclroscope, nous prouve que ces inondes éloignés sont construits avec des molécules dont l'identité avec les molécules terrestres est certifiée par l'identité de leurs vibrations. Leur distribution dans le temps

et dans l'espace varie incessamment; on peut concevoir qu'elle subisse des changements tels, que les mondes eux-mêmes et leurs systèmes en apparence les plus stables soient bouleversés par des révolutions qui embrassent d'incalculables myriades de siècles, au sein d'espaces si grands qu'ils nous donnent l'idée de l'infini ; au milieu de ces transformations, seule la matière, ses molécules constituantes, leurs masses, et ajoutons leurs quantités de mouvement, restent invariables. C'est ce qu'exprime éloquemment Clerk Maxwell, lorsqu'il dit en terminant : « Quoique, dans le cours des âges, des catastrophes aient eu lieu et doivent encore avoir lieu dans les cieux, quoique d'anciens systèmes doivent être dissous et de nouveaux systèmes naître de leurs débris, les molécules dont tous ces systèmes sont construits, pierres de fondation de l'univers matériel, restent sans être ni brisées, ni usées. Elles continuent d'être aujourd'hui, comme dans le passé le plus reculé, parfaites en nombre, en mesure et en poids, et les ineffaçables propriétés qui sont incrustées en elles nous apprennent que nous devons considérer comme les plus nobles attributs de l'homme nos aspirations à l'exactitude des mesures, à la vérité dans l'affirmation, à la justice dans l'action. »