Propriétés vibrationnelles de l’eau confinée et interfaciale : conséquences thermodynamiques

Vibrational properties of confined and interfacial water : thermodynamic consequences

• Auteur / Autrice : Isabelle Bergonzi
• Direction : Lionel Mercury
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique chimie de l’environnement
• Date : Soutenance le 23/03/2015
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la terre d'Orléans (2010-....)
• Jury : Président / Présidente : Pascale Roy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lionel Mercury, Pascale Roy, Jean-Louis Hazemann, Sophie Le Caër, Patrick Simon, José Teixeira
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Louis Hazemann, Sophie Le Caër

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interfaces solide-liquide

Spectroscopie

Thermodynamique

Interaction eau-roche

Eau

Mots clés libres

Eau

Interface

Pore/cavité

Spectroscopie vibrationnelle

Thermodynamique

Interphase

Water

Interface

Pore/cavity

Vibrational spectroscopy

Thermodynamics

Interphase

Résumé

Les études en laboratoires montrent que les propriétés de l'eau liquide sont perturbées lorsqu'elle est proche d'une surface (≈ 1nm) ou occluse dans des pores de taille inférieure à la dizaine de nanomètres : au-delà de ces seuils, ses propriétés sont supposées volumiques. Paradoxalement, des observations de terrains suggèrent que le comportement de l'eau peut s'écarter de son comportement volumique pour des tailles de pores de l’ordre de quelques microns. Nous présentons une étude expérimentale des effets, et de leur portée, d'une surface solide, paroi interne d’une cavité fermée, sur les propriétés vibrationnelles et thermodynamiques de l'eau occluse. D’abord, nous avons développé et calibré une fonction de partition prenant en compte les modes inter- et intramoléculaires de l'eau, afin de convertir ses propriétés vibrationnelles en propriétés thermodynamiques. Cette fonction nous permet de calculer la variation d’enthalpie libre que représente une déviation du spectre IR par rapport au spectre de référence. Des mesures IR dans des canaux ont été réalisées en fonction de leur hauteur, de 100 à 5 nm, qui ont mis en évidence que les propriétés de l'eau sont modifiées entre 5 et 20 nm. Si ces distances restent dans les valeurs admises pour l’influence interfaciale, l’intensité thermodynamique des variations (jusqu’à 1.5 kJ/mol) est surprenante, de même que leur sens de variation : l’activité de l’eau augmente. Le moteur de cette évolution pourrait être la restriction géométrique, et des effets de pression de disjonction. Au contraire, des mesures de micro-spectroscopie IR haute résolution et Raman ont été menée dans des micro-cavités fermées (inclusions fluides synthétiques), en fonction de la distance aux interfaces solide/liquide et liquide vapeur. Elles ont montré que les propriétés de l'eau sont progressivement perturbées sur une distance de 1 à 3 μm. Proche de la surface, la variation thermodynamique est au-delà du kJ/mol d’eau, et traduit une augmentation de l’activité de l’eau. Le moteur de ce qu’on appelle une « interphase », vu son épaisseur, associe la tension de surface solide-solution aqueuse et des effets osmotiques, liés à une stratification chimique de la solution depuis la surface jusqu’au centre de la cavité. D'un point de vue thermodynamique, l’eau confinée et l’eau impliquée dans l’interphase apparaissent plus réactives que l’eau volumique : ces mesures ouvrent donc des perspectives d’interprétation des interactions solide-solution dans les milieux naturels. Quelques applications à des observations sont évoquées.

Laboratory studies shows that water properties are disturbed when it is located close to a surface (≈1nm) or occluded in a pore with size less than ten nanometers: beyond these thresholds, its properties are supposed to be bulk. Paradoxically, field observations suggest that the water behavior can deviate with respect to its bulk one for pore sizes of few microns. We present an experimental study of the effects and the scope of a solid surface, internal wall of closed cavity, on the occluded water vibrational and thermodynamic properties. First, we have developed and calibrated a partition function, that takes into account the water inter- and intramolecular modes, to convert its vibrational properties into its thermodynamic counterparts. This function allows us to calculate the free enthalpy corresponding to an IR spectrum deviation with respect to a reference spectrum. IR measurements were performed in channel in function of their height, from 100 to 5 nm. They highlighted that water properties are modified between 5 and 20 nm. Although these distances are within the accepted values for the interfacial influence, the intensity of thermodynamic variations are surprising, as its variation direction: the water activity increases. This evolution could be drive by the geometrical restrictions and the disjoining pressure effects. On the contrary, high resolution IR and Raman micro-spectroscopies measurements were carried out in closed micro-cavities (synthetic fluid inclusions), in function of the distance to the solid/liquid and liquid/vapor interfaces. They demonstrated that water properties are progressively disturbed on a distance from 1 to 3 μm. Close to the surface, the thermodynamic variation is beyond kJ/mol of water, and reflects an increasing of water activity. The driver of the so-called interphase, because of its thickness, involves the solid-aqueous solution surface tension and osmotic effects, related to a chemical stratification of the solution from the surface to the cavity center. From a thermodynamics point of view, confined water and water in the interphase appear more reactive than bulk water: these measurements offer perspectives for the solid-solution interaction interpretation in the natural media. Some applications of the observations are discussed.