Quest-ce que la tension superficielle
La tension superficielle est définie comme le travail, dW, nécessaire pour étendre une surface par dA. Il sagit donc dune mesure directe de lénergie nécessaire pour former une nouvelle surface unitaire, cest-à-dire lénergie de surface. La tension superficielle est une caractéristique de toute surface ou interface, cependant, elle nest directement mesurable que pour les liquides. La tension superficielle résulte de forces dépendantes de la direction des molécules résidant à ou près de linterface. La tension superficielle est généralement exprimée en N / m (unité SI).
En règle générale, les solvants polaires ont une tension superficielle plus élevée que leurs homologues non polaires. Par exemple, la tension superficielle élevée de leau (72,8 mN / m à 20 ° C) est due à la forte liaison hydrogène intermoléculaire (interaction électrostatique entre les hydrogènes partiellement positifs et latome doxygène partiellement négatif dune molécule deau voisine). Plus les forces intermoléculaires sont faibles, plus la tension superficielle est faible (par exemple loctane a une tension superficielle de 21,6 mN / m). Habituellement, le terme «tension interfaciale» est utilisé pour la tension entre deux liquides, tandis que «tension superficielle» est plus générale et se réfère généralement à une interface gaz-liquide.
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Quand la tension superficielle est-elle pertinente?
La tension superficielle influence les propriétés dun système. Plus les dimensions dun système sont petites, plus la tension superficielle est critique. Les exemples incluent les émulsions, les brouillards et les mousses, la formation de phase de nucléation &. La tension superficielle est également pertinente à de plus grandes échelles, en particulier dans le mouillage, ladhérence et la forme du ménisque. Lorsque les dimensions sont de lordre du micro au millimètre, la dynamique est donnée par un équilibre de viscosité, de densité et de tension superficielle. De plus, la tension superficielle est un paramètre facilement mesurable pour le contrôle qualité.
Tensioactifs
Les tensioactifs sont des molécules qui senrichissent au niveau des surfaces ou des interfaces, cest-à-dire qui sadsorbent à linterface. En général, les tensioactifs contiennent des groupements hydrophiles et hydrophobes, et par conséquent, dans les solutions aqueuses, le contact de leau avec les parties hydrophobes peut être évité en disposant en surface avec les parties hydrophobes vers lair. Ladsorption du surfactant abaisse la tension superficielle. Ce phénomène est fréquemment utilisé pour améliorer le mouillage. Cliquez sur limage ci-dessous pour en savoir plus sur ladsorption et la tension superficielle.
Les tensioactifs présentent une autre propriété importante, à savoir lauto-assemblage en micelles. La micellation ressemble à la formation de phase, en ce que de nombreux tensioactifs forment une micelle. Ainsi, la micellation se produit sur une plage de concentration assez étroite (concentration micellaire critique, CMC), et une addition supplémentaire de tensioactif augmente la concentration micellaire plutôt que la concentration de monomères tensioactifs. Par conséquent, la tension superficielle diminue avec laugmentation de la concentration totale de tensioactif jusquà CMC, puis reste constante. La mesure de la tension superficielle est donc un moyen pratique détudier la micellation.
Mesure de la tension superficielle
Plusieurs méthodes ont été développées pour mesurer la tension superficielle. Dans les techniques optiques, la forme dune gouttelette ou dun ménisque est analysée généralement à laide dun ordinateur. La forme suppose un équilibre mécanique entre les forces agissant sur le liquide, cest-à-dire la tension superficielle et les forces gravitationnelles. Pour obtenir des résultats précis, la configuration optique doit être bien calibrée, et en outre le contour de la gouttelette doit être déterminé avec précision.
En tensiométrie de pression de bulle, on utilise le fait que la pression à lintérieur dune bulle est plus élevée quà lextérieur de la goutte en raison de la tension superficielle. La tension superficielle peut être calculée à partir de la différence de pression si le rayon et la forme des gouttelettes sont connus. Avec quelques hypothèses simples, on peut construire une instrumentation facile à utiliser et robuste qui est bien adaptée pour la mesure grossière de la tension superficielle simplement en immergeant un tube dans la solution. La stalagométrie est une variante de la technique de pression de bulle. Au lieu de mesurer la différence de pression, le fait que le débit dun liquide à travers un capillaire est déterminé par les forces gravitationnelles opposées par la force visqueuse et la contre-pression de la gouttelette à lextrémité du capillaire.
La technique la plus ancienne pour mesurer la tension superficielle consiste à mesurer la force exercée par un liquide sur une sonde. Les techniques de tensiométrie de force sont assez exactes à condition que langle de contact au niveau de la sonde soit connu. En choisissant un matériau bien mouillé, et en supposant que langle de contact est nul. Pour les solutions aqueuses, cela implique lutilisation dun matériau hydrophile. Le matériau le plus courant est le platine.Des expériences menées sous atmosphère contrôlée et inerte ont montré que leau mouille en effet complètement le platine. Cependant, de nombreux composés trouvés dans lair ambiant sadsorbent fortement sur le platine, leffet est observable dans les minutes suivant la flamme. Ainsi, la sonde doit être immergée dans le liquide mesuré immédiatement après le nettoyage.
Dyneprobe de Kibron est basé sur un oxyde hydrophile. Lorsquelle est nettoyée à la flamme à laide dune flamme chaude, la couche doxyde est activée dans un état très hydrophile. Il est plus stable vis-à-vis des contaminants en suspension dans lair que le platine, mais se passive avec le temps. Par conséquent, les procédures de nettoyage à la flamme appropriées ne peuvent être évitées. Il existe deux sous-techniques de tensiométrie de force, à savoir les méthodes Wilhelmy et DuNouy. Dans la méthode Wilhelmy, la sonde est maintenue immobile dans linterface, préférentiellement avec lextrémité inférieure au niveau de linterface (à distance éloignée). À ce stade, aucune correction de la flottabilité nest nécessaire. Les plaques Wilhelmy et les sondes en forme de tige peuvent être utilisées pour effectuer la mesure.
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| Méthode DuNouy | Méthode Wilhelmy |
Dans la méthode DuNouy (force de traction maximale), la tension superficielle est enregistrée car la sonde est lente retirée du liquide. La sonde est généralement un anneau DuNouy ou une tige verticale. Le mouvement de la sonde fournit avantageusement un angle de contact fuyant, qui tend à être plus petit que langle de contact au repos. Linconvénient de la technique est la nécessité de tenir compte du terme de flottabilité négatif correspondant au point de force maximale où la sonde est complètement au-dessus de la surface. Pour les sondes à tige fine, le terme de flottabilité est relativement petit et facile à corriger, tandis que pour les anneaux, le terme de flottabilité est significatif et son calcul compliqué par la forme de la section transversale de lanneau.
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