TENSION SUPERFICIELLE: CAUSES, EXEMPLES, APPLICATIONS ET EXPÉRIENCES - CHIMIE - 2025

La tension superficielle est une propriété physique ayant tous les fluides et se caractérise par une résistance à leurs surfaces s'opposant à toute augmentation de sa superficie. Cela revient à dire que ladite surface cherchera la plus petite surface possible. Ce phénomène entrelace plusieurs concepts chimiques, tels que la cohésion, l'adhésion et les forces intermoléculaires.

La tension superficielle est responsable de la formation des courbures de surface des liquides dans les récipients tubulaires (cylindres gradués, colonnes, tubes à essai, etc.). Ceux-ci peuvent être concaves (courbés en forme de vallée) ou convexes (courbés en forme de dôme). De nombreux phénomènes physiques peuvent être expliqués en considérant les changements que subit la tension superficielle d'un liquide.

Les formes sphériques que prennent les gouttes d'eau sur les feuilles sont dues en partie à leur tension superficielle. Source: photo prise par l'utilisateur de flickr tanakawho

L'un de ces phénomènes est la tendance des molécules liquides à s'agglomérer sous forme de gouttes, lorsqu'elles reposent sur des surfaces qui les repoussent. Par exemple, les gouttes d'eau que l'on voit au-dessus des feuilles ne peuvent pas les mouiller en raison de sa surface cireuse et hydrophobe.

Cependant, il arrive un moment où la gravité joue son rôle et la goutte se répand comme une colonne d'eau. Un phénomène similaire se produit dans les gouttes sphériques de mercure lorsqu'elles sont renversées par un thermomètre.

En revanche, la tension superficielle de l'eau est la plus importante de toutes, car elle contribue et organise l'état des corps microscopiques dans les milieux aqueux, tels que les cellules et leurs membranes lipidiques. De plus, cette tension est responsable du fait que l'eau s'évapore lentement, et que certains corps sont plus denses qu'elle ne peut flotter à sa surface.

Causes de tension superficielle

L'explication du phénomène de tension superficielle se situe au niveau moléculaire. Les molécules d'un liquide interagissent les unes avec les autres, de telle sorte qu'elles sont cohésives dans leurs mouvements erratiques. Une molécule interagit avec ses voisins à côté et avec ceux au-dessus ou en dessous.

Cependant, il n'en va pas de même avec les molécules à la surface du liquide, qui sont en contact avec l'air (ou tout autre gaz), ou avec un solide. Les molécules à la surface ne peuvent pas cohésion avec celles du milieu extérieur.

En conséquence, ils ne subissent aucune force qui les tire vers le haut; seulement vers le bas, de ses voisins dans le milieu liquide. Pour contrer ce déséquilibre, les molécules à la surface sont «comprimées», car ce n'est qu'alors qu'elles peuvent surmonter la force qui les pousse vers le bas.

Une surface est alors créée où les molécules sont dans un arrangement plus tendu. Si une particule veut pénétrer dans le liquide, elle doit d'abord franchir cette barrière moléculaire proportionnelle à la tension superficielle dudit liquide. Il en est de même pour une particule qui veut s'échapper vers l'environnement extérieur depuis les profondeurs du liquide.

Par conséquent, sa surface se comporte comme s'il s'agissait d'un film élastique qui présente une résistance à la déformation.

Unités

La tension superficielle est généralement représentée par le symbole γ et est exprimée en unités de N / m, force multipliée par la longueur. Cependant, la plupart du temps, son unité est le dyn / cm. L'un peut être converti en l'autre par le facteur de conversion suivant:

1 dyn / cm = 0,001 N / m

Tension superficielle de l'eau

L'eau est le plus rare et le plus étonnant de tous les liquides. Sa tension superficielle, ainsi que plusieurs de ses propriétés, sont inhabituellement élevées: 72 dyn / cm à température ambiante. Cette valeur peut augmenter jusqu'à 75,64 dyn / cm, à une température de 0 ºC; ou diminuer à 58,85 ºC, à une température de 100 ºC.

Ces observations ont du sens si l'on considère que la barrière moléculaire se resserre encore plus à des températures proches de la congélation, ou «perd» un peu plus autour du point d'ébullition.

L'eau a une tension superficielle élevée en raison de ses liaisons hydrogène. Si ceux-ci sont perceptibles en eux-mêmes dans le liquide, ils le sont encore plus en surface. Les molécules d'eau sont fortement enchevêtrées, formant des interactions dipôle-dipôle de type H ₂ O-HOH.

Les molécules d'eau sont attirées les unes vers les autres; sont liés par des liaisons hydrogène

Telle est l'efficacité de leurs interactions que la barrière moléculaire aqueuse peut même supporter certains corps avant qu'ils ne coulent. Dans les sections applications et expériences, nous reviendrons sur ce point.

Autres exemples

Tous les liquides présentent des tensions superficielles, soit à un degré inférieur ou supérieur à l'eau, soit qu'il s'agisse de substances pures ou de solutions. La force et la tension des barrières moléculaires de ses surfaces dépendront directement de leurs interactions intermoléculaires, ainsi que des facteurs structurels et énergétiques.

Gaz condensés

Par exemple, les molécules de gaz à l'état liquide n'interagissent entre elles que par les forces de dispersion de Londres. Ceci est cohérent avec le fait que leurs tensions superficielles ont des valeurs faibles:

-Hélium liquide, 0,37 dyn / cm à -273 ºC

-Note liquide, 8,85 dyn / cm à -196 ºC

-Oxygène liquide, 13,2 dyn / cm à -182 ºC

La tension superficielle de l'oxygène liquide est supérieure à celle de l'hélium car ses molécules ont une masse plus importante.

Liquides apolaires

Les liquides non polaires et organiques devraient avoir des tensions superficielles plus élevées que ces gaz condensés. Parmi certains d'entre eux, nous avons les suivants:

-Détiléther, 17 dyn / cm à 20 ºC

- n-Hexane, 18,40 dyn / cm à 20 ° C

- n -Octane, 21,80 dyn / cm à 20 ° C

-Toluène, 27,73 dyn / cm à 25 ºC

Une tendance similaire est observée pour ces liquides: la tension superficielle augmente avec l'augmentation de leur masse moléculaire. Cependant, le n -octane doit donc avoir la tension superficielle la plus élevée et non le toluène. Ici, les structures moléculaires et les géométries entrent en jeu.

Les molécules de toluène, plates et en forme d'anneau, ont des interactions plus efficaces que le n-octane. Par conséquent, la surface du toluène est "plus serrée" que la surface du n-octane.

Liquides polaires

Comme il existe des interactions dipôle-dipôle plus fortes entre les molécules d'un liquide polaire, leur tendance est à montrer des tensions de surface plus élevées. Mais ce n'est pas toujours le cas. Parmi quelques exemples, nous avons:

-Acide acétique, 27,60 dyn / cm à 20 ºC

-Acétone, 23,70 dyn / cm à 20 ºC

-Sang, 55,89 dyn / cm à 22 ºC

-Éthanol, 22,27 dyn / cm à 20 ºC

-Glycérol, 63 dyn / cm à 20 ºC

-Chlorure de sodium fondu, 163 dyn / cm à 650 ºC

- Solution de NaCl 6 M, 82,55 dyn / cm à 20 ºC

On s'attend à ce que le chlorure de sodium fondu ait une tension superficielle énorme - c'est un liquide visqueux et ionique.

D'autre part, le mercure est l'un des liquides avec la tension superficielle la plus élevée: 487 dyn / cm. En lui, sa surface est composée d'atomes de mercure fortement cohésifs, bien plus que les molécules d'eau ne peuvent l'être.

Applications

Certains insectes utilisent la tension superficielle de l'eau pour pouvoir marcher dessus. Source: Pixabay.

La tension superficielle seule n'a pas d'application. Cependant, cela ne signifie pas qu'il n'est pas impliqué dans divers phénomènes quotidiens qui, s'ils n'existaient pas, ne se produiraient pas.

Par exemple, les moustiques et autres insectes peuvent marcher dans l'eau. En effet, leurs pattes hydrophobes repoussent l'eau, tandis que leur faible masse leur permet de rester à flot sur la barrière moléculaire sans tomber au fond de la rivière, du lac, de l'étang, etc.

La tension superficielle joue également un rôle dans la mouillabilité des liquides. Plus sa tension superficielle est élevée, moins sa tendance à fuir à travers les pores ou les fissures d'un matériau est faible. En plus de cela, ce ne sont pas des liquides très utiles pour nettoyer les surfaces.

Détergents

C'est ici que les détergents agissent, réduisant la tension superficielle de l'eau et l'aidant à couvrir de plus grandes surfaces; tout en améliorant son action dégraissante. En diminuant sa tension superficielle, il fait de la place aux molécules d'air, avec lesquelles il forme des bulles.

Les émulsions

En revanche, les tensions supérieures inférieures sont liées à la stabilisation des émulsions, qui sont très importantes dans la formulation des différentes gammes de produits.

Expériences simples

Clip métallique flottant en raison de la tension superficielle de l'eau. Source: Alvesgaspar

Enfin, quelques expériences pouvant être menées dans n'importe quel espace domestique seront citées.

Expérience de clip

Un clip métallique est placé à sa surface dans un verre avec de l'eau froide. Comme le montre l'image ci-dessus, le clip restera à flot grâce à la tension superficielle de l'eau. Mais si un peu de porcelaine de lave est ajoutée au verre, la tension de surface chutera considérablement et le trombone coulera soudainement.

Bateau en papier

Si à la surface nous avons un bateau en papier ou une palette en bois, et si le lave-vaisselle ou le détergent est ajouté à la tête d'un coton-tige, alors un phénomène intéressant se produira: il y aura une répulsion qui les propagera vers les bords du verre. Le bateau en papier et la palette en bois s'éloignent de l'écouvillon enduit de détergent.

Une autre expérience similaire et plus graphique consiste à répéter la même opération, mais dans un seau d'eau saupoudré de poivre noir. Les particules de poivre noir dériveront et la surface passera du poivre couvert à limpide, avec le poivre sur les bords.

Références

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