1. Tension superficielle

Dans ce chapitre, nous allons voir ce qu'est la tension superficielle, quels sont ses applications et son utilité dans la physique.
Dans un premier temps, nous allons définir la notion d’interface et la tension superficielle mais surtout énoncer les forces qui interviennent dans cette énergie de surface. Ensuite, nous étudierons la loi de Laplace, la mouillabilité. Pour finir, dans une troisième partie, nous listerons et détaillerons brièvement les principales applications courantes ou non de la tension superficielle.

1.1 Définitions

L’interface est une surface de contact entre deux milieux différents. La création d'une interface entre deux milieux est toujours accompagnée d'une consommation d'énergie. Cette énergie de surface est égale à l'aire de la surface multipliée par une quantité appelé tension de surface ou encore tension superficielle. L'énergie de surface s'exprime en J/m².
Elle peut s'exprimer aussi comme une force par unité de longueur, en N/m.
On note l'énergie de surface :

Fig 1.1 – Représentation schématique d'un ménisque dans un tube à essai

La tension superficielle est une force qui existe depuis la création d’une interface qui sépare deux milieux différents. Elle existe jusqu’à ce qu’il y n'ai plus d’interface. Elle explique de nombreux phénomènes telles que le fait que l'eau ne mouille pas le lotus, ou qu'une aiguille puisse flotter à la surface de l'eau.

Dans un liquide, les molécules exercent entre elles des forces d'attraction ou de répulsion. Ces forces sont nommées, la première force est nommée force de Van Der Waals, et la deuxième ; force électrostatique. Chaque molécule d’eau subit l’attraction de ses voisines proches. La résultante de ces forces est nulle à l'intérieur d'un liquide. Mais à la surface, ces forces ne s'annulent pas, en effet les molécules d'eau situées à la surface d'un liquide n'attirent pas l'air. La résultante à la surface est donc dirigée vers le bas. Ces forces sont équilibrées par les forces de pression qui entrainent les molécules sur chaque coté de l’interface. Les forces intermoléculaires sont à l’origine de l’énergie de surface.

Fig 1.2 – Tableau de valeur de la tension superficielle pour certains liquides à une température de 20 °C

1.2 Loi de Laplace, mouillabilité

Dans le cas où l’interface est courbée, il y a une différence de pression entre les pressions des différents milieux. Par exemple, dans un tube à essai, si une interface courbée se forme après avoir rajouter de l'eau, alors la pression de l'eau sera différente de celle de l'air (c'est à dire la pression atmosphérique). Par observation de la courbe du ménisque de l'interface, on peut intuitivement déduire laquelle des deux pressions est plus élevée que l'autre (ou le contraire). En effet, en reprenant notre exemple, si l'eau a une interface bombée vers le haut, alors la pression de l'eau est plus élevée que la pression atmosphérique. Au contraire, si l'eau a une interface courbée vers le bas comme une selle de cheval, alors ce sera la pression atmosphérique qui sera plus élevée.

La loi de Laplace établit une relation entre la différence de pression et la tension superficielle [1].

Elle est énoncée ci-dessous :

On peut ainsi trouver la tension superficielle d'un liquide en connaissant la différence de pression et le rayon du récipient.

La mouillabilité permet de décrire comment un liquide arrive à s’étaler en présence d’un autre liquide sur un solide. L’étalement du liquide dépend des milieux où se situe le solide. Un liquide posé sur un solide forme un angle qui varie selon l'étalement. L'angle de contact entre le liquide et le solide se nomme l’angle de mouillage. Cet angle de mouillage dépend de la tension superficielle. En effet, une variation de la tension superficielle d'un liquide joue sur son étalement. La loi de Cassie nous montre que si l’angle de contact est compris entre 90° et 180°, alors le liquide est hydrophobe c’est-à-dire que le liquide ne mouille pas. Si l’angle de contact mesure entre 10° à 90°, alors le liquide est hydrophile, ça sera donc un liquide mouillant.

Fig 1.3 – Représentation schématique de trois gouttes d'eau dont la mouillabilité est décroissante de gauche à droite.

Les deux premières gouttes en partant de gauche sont issue d'un liquide hydrophile (mouillant), tandis que la troisième est issue d'un liquide hydrophobe. On observe que plus le liquide est mouillant, et plus il aura un angle de contact faible.

Fig 1.4 – Photographie de deux gouttes d'une solution dont la mouillabilité diffère posées sur une plaque en verre nettoyée et séchée au préalable (A gauche, le liquide est hydrophobe, à droite il est hydrophile)

1.3 Les applications

Le trombone peut flotter dans un verre d'eau. On pourrait tout d'abord cela s'explique par la poussée d'Archimède, mais l'origine de ce processus n'est pas due à celle-ci. En effet, la poussée d'Archimède n'agit que sur les solides de densité plus faible que l'eau. Or, le trombone composé d'acier est plus dense que l'eau. C'est la tension superficielle qui agit ici. Nous avons par la suite, dans notre expérimentation, rajouter du liquide vaisselle. Le liquide vaisselle diminue la valeur de la tension superficielle, nous verrons pourquoi dans le chapitre suivant. On observe tout simplement que le trombone coule. La tension de surface est donc à l'origine de ce phénomène.

Fig 1.5 – Photographies d'un trombone flottant à la surface de l'eau grâce la tension superficielle (à droite, un plan rapproché du trombone)

Quand nous faisons des manipulations en TP (travaux pratiques) de Physique-Chimie, on observe parfois sur les tubes à essais une courbure à la surface d'un liquide. Ce phénomène est encore plus visible quand on utilise des tubes fins, aussi appelés capillaires. Cette courbure est due à la capillarité, elle est appelé ménisque. Selon la valeur de la tension superficielle, le liquide va plus ou moins mouiller les parois latérales du capillaires.
Par exemple, avec une valeur de tension superficielle très élevée, le mercure ne mouillera pas le tube et formera à la surface une courbe concave (en forme de selle de cheval). Au contraire, l'éthanol, avec une faible valeur de tension superficielle, formera un ménisque de courbure convexe.

Nous avons tous, un jour, fait la vaisselle. On sait très bien qu'il faut mettre du liquide vaisselle et utiliser de l'eau chaude pour mieux nettoyer les couverts. En effet, une efficace et bonne vaisselle repose sur le lavage des couverts et assiettes graisseuses avec de l’eau chaude et du liquide vaisselle. De plus, l'utilisation de ceux-ci entraîne une diminution de la tension superficielle. La diminution de la tension superficielle permet alors à l'eau d'accrocher les matières grasses. Si on aurait utiliser de l'eau pure, possédant une tension superficielle plus élevée que de l'eau savonneuse, l'eau pure n'accrochera pas les matières graisseuses et on n'aurait pas obtenu une vaisselle efficace.

Le gerris est un insecte qui a six pattes très écartées les unes des autres. Il ressemble à une araignée qui peut marcher sur l'eau, ainsi certains leur donne aussi le nom d'araignée d'eau. Ils arrivent à marcher sur l’eau grâce leurs pattes qui sont munies de poils hydrofuges, cela signifie qu’ils ne se mouillent jamais. Grâce à leurs poils hydrofuges et à leur poids léger, le gerris ne rompt jamais la tension superficielle et arrive à marcher sur l'eau.

Le surfactant pulmonaire est une fine couche de liquide se trouvant au niveau des alvéoles pulmonaires chez un être humain. Il est principalement composé de phospholipide, qui sert à diminuer la tension superficielle dans l'interface air-eau des alvéoles pulmonaires. Le surfactant est un synonyme de tensioactif. Le phospholipide comporte deux parties, une partie hydrophile et une partie hydrophobe. À l’inspiration, le surfactant pulmonaire facilite l’expansion des alvéoles, et à l’expiration il les maintient ouvertes. Il a aussi un autre rôle, qui est d'assurer la défense contre les micro-organismes [2].

La sève monte dans les arbres à travers un ensemble de capillaires fins, appelés xylème. La force dite ascendante permet à la sève de monter, cette force est due aux forces d’absorptions provoquées par l’attraction des molécules entre le fluide et la paroi du capillaire. Ce phénomène est comparable à la capillarité des tubes capillaires. Cette attraction des molécules par la paroi du capillaire les font grimper dans le tube. La force ascendante est compensée par la force de pesanteur qui permet de diminuer la montée de la sève. Cela forme un ménisque. [3].

La chromatographie est une technique d'analyse pour trouver les différentes espèces chimiques contenues dans un mélange. Elle est utilisée en laboratoire. Les espèces chimiques sont attirées dans un papier poreux par l’effet d’un liquide appelé éluant. Les espèces chimiques deviennent de petites taches de couleurs différents que l'on peut distinguer sur le chromatogramme. La remontée de l’eau sera différente selon la tension superficielle de la solution.

 

Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons vu que la tension superficielle est crée lors de la formation d’une interface entre deux milieux différents. Nous avons aussi vu que la loi de Laplace permet de calculer cette tension avec la pression atmosphérique et la pression de l’eau. Et enfin nous avons vu les principes applications de la tension superficielle, par exemple : la capillarité. En outre, les détergents sont des tensioactifs qui diminuent la tension superficielle et provoque la formation des bulles de savon.