Appareil de Gay-Liissac pour densité de vapeur

(1) Le remplissage et la fermeture de cette ampoule sont deux opérations assez déli- .cates. Après avoir coutourné le tube de fampoule et ravoir effîlé eu a (fig. 57), on le remplit par absorption, comme nous verrons plus tard que cela se pratique pour le remplissage des thermomètres. On présente ensuite la partie effilée du tube à la flamme rétrécie d'une lampe à alcool, et on la chauffe avec beaucoup de précaution, jusqu'à ramollir le verre et fermer l'appareil en a. Les deux parties détachées rune de l'autre sont portées dans la balance, et l'augmentation de poids qu'a subie l'ampoule fait connaître le poids de l'éther qui s'y trouve contenu.

Fio. 57.— Disposition pour lo remplissage et la fermeture do l'ampoule.

La dimension de l'ampoule doit être calculée de telle sorte que, le liquide qu'elle

4^ hïtaroduire rampoulo pleine d'éthej- dans l'éprouvelte à mercnre, «t entourer celle-ci d'un manchon cylindrique en verre M, tpe l'on remplit d'eau jusqu'à ce que le niveau de ce liquide dépasse la partie supérieure de l'éprouvette. Un thermomètre t ■donne à tout instant la température de l'eau du manclion, et on rend ceitte température aussi uniforme que possible au moyen d'un agitatenu' g à longue tige que l'on peut promener dans toute la masse liquide. Le manchon est, d'ailleurs, maintenu dans une position invariable au moyen de l'anneau a, mobile le long de la tige S.

S'* L'appareil étant complètement disposé, chauffer la chaudière : La chaleur se communique rapidement au mercure de l'éprouvette et à l'îimpaule qui ne tarde pas à se briser par la dilatation du liquide qu'elle renferme. A l'instant même, la vapeur se forme, et le meroure baisse dans la cloche. On continue à chauffer jusqu'à ce que l'éither soit complètement vaporisé (1). Lorsque ce résultat est atteint, on mêle les couches d'eau au moyen de l'agitateur, et l'on procède.aux observations. On note aus.si rapidement que possible la tempéraiture i, la force élastique /*, et le volume v de la vapeur. La force élastique /"s'obtient en retranchant de la hauteur H du bai'omèfcre, celle h de la colonne soulevée dans l'éprouvette audeBMBidu niveau ertéi'ieur de la cuve. Il va sans dire que ces colonraB merouiielles doivent être ramenées à 0" par le calcul. 'Quant au'volomfe v, il se déduit du nombre de divisions occupées paurilawapeur, car on connaît la capacité primitive de ces divisions, ^t3a<âJlatation qu'elles ont éprouvée par suite de leur échauffcment.

•imée* d'one expérience pratiquée sur Téther par le procédé de timy-Ëuuamme,

Soient :

ip'. . . . Paids de l'éther liquide G»' 545

t? . . . . Volume delà vapeur dteikH — h 2i3« 3

t. . . Température de Teau du manchon 67°

rfinfecine étant complélomeatTaporisé, la vapeur qui en provient occupe, même à l'état de ulilatatioa où cUe se trouve, un volume inférieur à la capacité totale ilc l'éprouvette. ('l)'On reconnaît que l'éther est complètement vaporisé à ce que, à la température flnale t, la force élastique de sa vapeur est notablement inférieure à celle qui corres- .pond à la tension maxima.

VAPEI:R D'ETHER. H9

H. . . . Pression barométrique corrigée TÔT"* 22

h. . . . Différence de niveau, également corrigée . . 104 75 if. . . . Densité de la vapeur d'éther.

On a, d'après les considérations précédentes :

p' (1 + at) 760 ^ "*" t? 0,001-293 (H-/*) ^•^^^•

L'éther sur lequel a porté cette opération contenait sans doute un peu d*alcool ou d'eau. Il suffit de 2 ou 3 pour 100 de vapeur d'eau mêlée à la vapeur d'éther pour abaisser sa densité au chiffre fourni par celle expérience.

Le procédé de Gay-Lussac s'applique surtout aux liquides que Ton n'a qu'en très-petite quantité, qui sont, d'ailleurs, très-\olatils, et pour lesquels on peut craindie un défaut d'homogénéité qui les rende altérables à l'ébuUition.

Le procédé de Gay-Lussac pour la détermination des densités de vapeur n'entre pas dans le cadre ordinaire des manipulations de l'école de pharmacie, à cause de la masse de mercure dont il exige le maniement, et à cause aussi des inconvénients suivants qui sont attachés à son emploi :

i° Il est difficile, pour ne pas dire impossible, de purger complètement d'air et de vapeur d'eau le mercure qui remplit la cloche;

2» La température ne peut être exactement connue. Au moment où l'on fait les observations, il fondrait que cette température fût uniforme et stationnaire partout, et comment admettre que le mercure, qui a le contact immédiat de la chaudière, et qui a une trèsfaible capacité comparée à celle de l'eau, n'ait pas une température de beaucoup plus élevée que celle de ce liquide ;

3" Comme on ne peut déterminer directement le coefficient de dilatation du verre qui constitue la cloche, les corrections relatives aux changements de capacité de cette cloche sont toujours incertaines ;

4* La détermination de la pression est elle-même très-difficile. Si elle se fait directement à l'aide du cathétomètre, on peut commettre une erreur grave en raison des effets prismatiques, et des déviations provenant de la forme cylindrique du manchon. Et si l'on enlève le cylindre d'eau, en laissant le manchon vide, il peut y avoir encore un effet prismatique résultant de ce que les deux faces du manchon ne seraient pas parfaitement parallèles. Il faut donc

noter exaclement la division de la cloche à laquelle s'arrête le niveau du mercure, et viser ensuite cette division à Taidedu cathélomètre, après avoir enlevé le manchon et l'eau qu'il contient. 11 est vrai que, par suite du refroidissement, cette division est maintenant plus bas dans la ligne verticale qu'elle n'était quand la cloche était chaude. Mais on peut faire une correction approximative en admettant le coefficient moyen de dilatation linéaire du verre. En tout cas, l'erreur provenant de ce fait ne serait rien en comparaison de celle qu'on pourrait commettre, si l'on mesurait directement la hauteur à travers le manchon.

§ 2. — Procédé de M. Dumas.

Le procédé de M. Dumas est celui que l'on emploie habituellement. Son principe est simple : Un ballon, successivement rempli d'air et de vapeur est pesé dans les deux cas avec une très-grande précision. Et, comme il importe que les deux fluides élastiques soient pesés sous le même volume, on fait, pour le poids de l'air, les corrections que nécessitent les diflerences dans la capacité dn vase, dans la température et dans la pression.

mode opératoire. — l*" Prendre un ballon à densité de vapeur A (fig. 58), ayant 300~ environ de capacité ; briser sa pointe effilée dans une pièce dont l'air soit bien sec, et noter les indications fournies par le baromètre et le thermomètre. Porter dans la balance le ballon ainsi rempli d'air sec à i et à H, et déterminer son poids P avec la précision du milligramme, et avec l'exactitude de la double

Fig. 58. — Ballon à ^^^^Xf^ .

densité de vapeur. P^see ,

(Procédé de M. Du- ^"^ Remplir le ballou de vapeur d'éther comme ^^^'^ il va être dit ; et, ce ballon ayant été fermé à la

température i' et à la pression U', déterminer son poids F, ea

ayant égard à toutes les précautions obsei'vées dans la pesée pré-^

cédente ; 3" Déterminer la capacité intérieure du ballon, c'est-à-dire le

volume Y qu'elle représente à la température t ;

On a ainsi toutes les données nécessaires pour établir la densité de la vapeur.

En effet :

Le poids P du ballon rempli d'air sec se compose nécessairement

du poids de l'enveloppe et de celui de 1 air. Or, si Ton connaît le

volume de cet air, sa température et sa pression, rien n'est plus

facile que de calculer son poids w : Il est donné par la formule :

ir = V 0-^.001293 X 7I0 X

760 ^ 1 + at'

La connaissance du poids de Tair entraîne nécessairement celle du poids de l'enveloppe ; car si le poids de l'air est ir, celui de l'enveloppe doit être P — w.

Le poids P' du ballon rempli de vapeur d'éther se compose de même du poids de l'enveloppe qui est maintenant connu, et du poids de la vapeur qui s'en déduit par différence. On a en effet pour le poids de cette vapeur F — (P — w) ou P' — P -j- ^r, et ce poids se rapporte à un volume V [1 + K ((' — t)] à une température /' et à une pression H' (1).

Pour avoir le poids des deux fluides élastiques sous le même volume, on cherche quel serait le poids de l'air contenu dans le ballon à la température /' et à la pression H'. Ce poids serait évidemment :

Il n'y a donc plus, pour avoir la densité cherchée, qu'à diviser la valeur P' — P -|- ir par celle qui résulte de cette deraière formule. Car ces deux quantités représentent les poids comparés de la vapeur et de l'air sous la même unité de volume et dans les

(1) K représente ici le coefficient de dilatation qui appartient au verre dont le ballon est formé.

(2) Dans les deux pesées successives du ballon rempli d*air sec et de vapeur, on ne tient pas compte de la perte de poids que ce ballon éprouve par le fait de son immersion dans l'atmosphère. On suppose que la poussée est la même dans les deux cas, et c*est là une hj'polhèse qui n'est pas absolument exacte. Il y aurait donc avantage, si Ton voulait faire une détermination précise, à équilibrer le ballon dont il s'agit au moyen d'un autre ballon déplaçant le même volume d'air, et l'on pourrait même pousser la rigueur jusqu'à dessécher complètement l'air qui remplit le ballon dans la première pesée. Mais ce sont là des précautions minutieuses dont Tinfluence sur le résultat est assez restreinte, et qui n'ont guère d'utilité réelle que dans les recherches de physique délicate.

mêmes conditions de température et de pression. La formule

finale devient ainsi :

__ (F — P4-ir)7G0(l +at') ^ - V [1 + K (<•- «) ] 0,001293 H'

Moyen de remplir le ballon de vapeur d'éther. — On chauffe doucement le ballon en lui donnant au dessus d'une lampe à alcool la position représentée par la figure 59. La température du verre s'élève dans la partie comprise jusqu'en afc, et l'air dilaté s'échappe par l'ouverture effilée. On plonge alors cette ouverture dans un vase contenant de l'éther, en plaçant le ballon dans la position représentée par la ligure 00. Par refroidissement, l'éther monte

ai , '-.i

as'

FiG. 59. — Chauffage du ballon pour Fie. 60. — Contraction de 1 air et ascension dilater l'air qu'il renferme. du liquide.

jusque dans la panse du ballon ; et, comme les parois qu'il rencontre sont froides, il continue son ascension d'une façon progressive et régulière (1 ). Dès que la quantité qui s'est élevée représente un poids de 8 à 10 grammes, on retourne vivement le ballon, et le contact des parois chaudes n'a plus d'autre effet que celui de volatiliser une partie du liquide introduit.

Pour remplir le ballon de vapeur d'éther à l'exclusion de l'air et du liquide qui s'y trouvent actuellement contenus, on commence

(1) Il n'en serait pas de môme si l'on donnait au ballon la position représentée par la figure 61. Les premières gouttes de liquide qui tomberaient en a se vaporiseraient instantanément ; et l'air intérieur éprouvant un accroisemement subit de force élastique, refoulerait dans le vase le liquide qui se serait déjà élevé dans le tube. En pareil cas l'introduction de l'éther liquide dans le ballon deviendrait à la fois plus difficile et plus longue.

par le fixer dans un support métallique (fig. 62). Ce support se compose de deux anneaux horizontaux, dont Tun, Tanneau inférieur est fixe, tandis que l'autre, l'anneau supéiieur, est mobile et peut monter ou descendre parallèlement à lui-môme au moyen de deux oreillons qui glissent dms les rainures de deux montants verticaux. On engage le ballon entre ces deux anneaux, en ayant soin que l'origine de sa tubulure se trouve dans la partie haute (1), et on le maintient dans une position invariable à l'aide de deux bouchons pressés par deux vis.

Une tige verticale porte une traverse mobile dans un plan horizontal, à laquelle on fixe deux thermomètres servant d'agitateurs.

Le système étant ainsi disposé , onle porte dans un bain liquide (2)

FiG. 61. — Disposition qu'il faut éviter de donner au ballon.

FiG. 62 et 63.— Appareil de M. Dumas pour densité de vapeur (*).

contenu dans une marmite de fonte que l'on a placée sur un fourneau (fig. 63). Il s'y maintient complètement immergé par son

(1) Cette disposition a pour effet de faciliter Texpulsion de l'air par la vapeur que produit réther en se vaporisant.

(2) Lorsqu'il s'agit d'éther, de sulfure de carbone, de chloroforme, ou, d'une manière générale, d'un liquide dont le point d'ébullition n'excède pas 70*, on peut employer l'eau comme bain liquide ; c'est ce que Ton fait dans les manipulations de l'école de pharmacie. Si le liquide sur lequel on opère devait exiger une température comprise entre 100" et 125", il faudrait employer une solution saturée de chlorure de

(*) Fig. 62. Support du ballon avec thermomètres. — Fig. 63. Chaudière en fonte formant bainmarie pour le chauffage du ballon.

propre poids, et le niveau du liquide doit s'élever assez haut pour recouvrir la voûte supérieure du ballon. On chauffe graduellement Teau du bain : la vapeur qui se forme dans Tintérieiir du ballon chasse l'air par l'ouverture effiléo, et s'échappe elle-même par cette ouverture sous forme d'un jet parfaitement visible. On continue à chauffer jusqu'à 70* environ, et, lorsque le jet de vapeur cesse d'être aperçu, ce qui indique qu'il ne reste plus d'éther liquide dans le ballon, on note la températuœ l\ la pression H', et l'on ferme l'orifice du tube à l'aide du clmlumeau en ayant soin de maintenir l'appareil dans le bain. On enlève ensuite le ballon, on l'essuie parfaitement, et l'on prend très-exactement son poids P'. Ce poids doit être notablement supérieur à P.

FiG. 64. <— Ascension de Teau dans le ballon rempli de vapeur, au moment où l'on brise sa poinle sous Teau.

Moyen de déterminer la capacité intérieure du ballon à lœ température /. — Lorsqu'on a pris le poids F du ballon rempli de vapeur d'éther, on plonge l'extrémité de son col dans un vase contenant une grande quantité d'eau bouillie et refroidie à la température /, et on la brise sous l'eau elle-même, en évitant toute rentrée d'air. La figure 64 représente celte, disposition. L'eaa monte dans le ballon, et bientôt elle en remplit exactement la»

calcium. Si la température du bain devait s'élever jusqu'à 200** ou 250*, il faudrait alors employer une huile fixe, en donnant la préférence à l'huile de pied de bœuf quidonne moins de vapeurs et des vapeurs moins acres que les huiles de graines. Enfin, si Ton devait opérer à des températures encore plus élevées, on se servirait de bainsmétalliques formés par des alliages de plomb, de bismuth et d'étain.

capacité, si toutefois ropération précédente a été bien conduite. On verse alors cette eau dans une éprouvette graduée (fig. 65), et le nombre de centimètres cubes qu'elle y occupe donne le volume V correspondant à la capacité intérieure du ballon pour la température f(1).

La principale difficulté que présente la détermination de la densité de vapeur par le procédé de M. Dumas est celle de saisir le moment convenable pour la fermeture du ballon. La condition essentielle est que le liquide soit vaporisé, et qu'il n'y ait dans le ballon que de la vapeur, sans mélange d'air. Nous avons dit que, pour remplir cette condition, il fallait fermer le ballon, dès qu'on n'apercevait plus de jet de vapeur à sa pointe effilée. Mais cette précaution, qui est en effet très-bonne, ne peut avoir d'effet utile qu'autant que la chaleur du foyer aura été maintenue constante, ou qu'elle 'n'aura éprouvé aucun affaiblissement pendant la durée de Topération. Car si, à un moment donné, la chaleur du foyer venait à se ralentir, Tébullition du liquide cessant, on n'apercevrait plus de jet à l'orifice du tube, et l'on fermerait le ballon trop tôt : le liquide non vaporisé serait pesé comme vapeur, et la densité serait trouvée beaucoup trop forte.

De même si, le liquide étant complètement vaporisé, la température venait à s'abaisser avant la fermeture du ballon, la vapeur d'éther, en se contractant, produirait un vide qui serait immédiatement rempli par de l'air. En pareil cas, il y aurait encore erreur dans la pesée, puisque celle-ci porterait sur un mélange d'air

FiG. 65. — Éprouvette graduée pour mesurer la capacité ;du ballon d*après le volume de Teau qui Ta rempli.

(1) Ce n'est pas chose facile que de faire passer l'eau du ballon daiis l'éprouvette. L'air extérieur ne pouvant diviser la colonne liquide à cause de la capillarité de l'orifice, il faut donner un trait de lime dans la partie la plus large du tube ; et si Fouverture est encore trop étroite, se servir de la partie détachée comme d'un siphon.

etdevapeur, alors qu'elle ne doit porterqucsur de la vapeurpure(l). On est averti^ du resie, de ce dernier inconvénient au moment où l'on brise sous l'eau la pointe eflilée du ballon. Celui-ci, au lieu de se remplir dune manière complète, ne se remplit que partiellement, et l'espace que l'eau refuse d'occuper mesure précisément le volume de Tair rentré. On peut donc en calculer le poids pour la température t' ci pour la pression H', et l'on déduit ce poids de celui de la vapeur. Seulement, la pression de cette vapeur n'est plus H', comme nous l'avons supposé, mais ll'-fj étant la force élastique calculée de cette petite quantité d'air pour la température t.

En général, on ne fait pas ces corrections à l'école de pharmacie. Pour peu que le ballon contienne 3 ou 4 centimètres cubes d'air, on considère l'opération comme mauvaise et on la recommence.

Bonnées d une expérience pratiquée mmr In Tnpear d'éther par le praeédé

Soient :

P. . . . Poids du ballon rempli d'air sec à t et à H. . 549'" 600 t . . . . Température ambiante,au moment de lapesée 25^

H. . . . Pression barométrique corrigée, id 757""" 0

P'. . . . Poids du ballon rempli de vapeur d'éther à

la température t' et la pression H' 559' 059

t' . . . . Température de la vapeur d'éther, au moment de la fermeture du ballon 80* 0

H'. . . . Pression barométrique supportée par la vapeur d'éther, au moment de la fermeture

du ballon (hauteur corrigée) 756""4