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CHAPITRE 01 : TENSION SUPERFICIELLE Introduction : Les molécules superficielles

CHAPITRE 01 : TENSION SUPERFICIELLE Introduction : Les molécules superficielles d’une surface condensée ne sont pas dans même états thermodynamiques que celle de l’intérieure du liquide. De même les molécules superficielles d’un solide ne sont pas sous l’influence de force équilibrée. Cette attraction uniforme provoque une tension de surface, il ya lieu de croire que l’attraction des molécules vers l’intérieure est souvent plus intense que celle existant dans le liquide. I – Tension superficielle : Pour augmenter la surface d’un corps condensé, il est nécessaire de fournir un travaille contre les force d’attraction vers l’intérieure. Par conséquent l’énergie des molécules superficielle est supérieure à celle des molécules se trouvant dans la masse, il vient que les molécules constituants la surface d’un corps sont dans une phase différente de celle de reste de la substance. Nous remarquons que les molécules internes sont soumises à une attraction égale à une moyen toute les directions, par contre les molécules superficielles sont soumises à une attraction non équilibré, d’où création d’une tension (Liquide – Gaz). Molécules externe superficielle Molécule interne Remarque : - Les molécules à la surface du liquide sont rappelées à l’intérieure de liquide, ce dernier aura donc tendance à présenter une surface minimal ce qui correspond à un état d’énergie minimal. - Pour augmenter la surface d’un liquide d’une quantité ΔS, il est donc nécessaire de vaincre les forces de cohésions entre les molécules donc fournir une énergie ΔG. La grandeur qui caractérise une surface sera donc logiquement le travail à fournir pour augmenter sa surface libre d’une unité d’aire, cette grandeur est appelée Tension superficielle on la désigne par γ qui s’exprime en erg/cm2 ou en mN/m2 ou en mJ/m2. γ = ( ΔG ΔS )T , P …………………. [erg/cm 2] γ = Δ F Δ L …………………. [dyn/cm2] 1J = 107erg. 1erg/cm2 = 10-7J/cm2 = 10-4mJ/cm2 = 1mJ/m2. II – Méthodes de mesure de tension superficielle : a – Méthode de tube capillaire : Lorsqu’on plonge un tube capillaire dans un liquide, ce dernier monte dans le tube et la hauteur d’élévation sera spécifique pour chaque liquide, on pourra donc étalonner le tube de tension superficielle à l’aide du liquide dont les tensions superficielles sont connues. Ceci nous permettra de déterminer rapidement γ pour n’import quel liquide en mesurant la hauteur d’élévation dans le tube……………………………………………… γ x=hx h0 γ0 h : hauteur d’ascension capillaire. Exercice d’application : Un tube de diamètre intérieur (2r) plongé verticalement dans un liquide de tension superficielle γ et de masse volumique ρ, on suppose que la mouillabilité est parfaite et on désigne par h la dénivellation du liquide dans le tube. Avec l’eau on trouve h0 = 92,3mm (ρ0 = 0,9973× 103 kg / m3, γ0 = 71,93×10-3 N /m). Pour le benzène, on trouve h = 42,4 mm. Déduire la constante de tension superficielle du benzène sachant que sa masse volumique a pour valeur 0,8840× 103 kg / m3. c – Méthode stalagmométrique : (très utilisée) Le procédé consiste à former les gouttes de liquide au bout d’un capillaire en recueillant le liquide dont on mesure le poids, si on connaît le nombre de gouttes on en déduit le volume et le poids d’une goutte. Ce poids est tel qu’il équilibre exactement la tension superficielle qui s’exerce sur le périmètre du tube. 2πr × γ = m × g m : masse d’une goutte. γ : tension superficielle. r: rayon de la goutte = rayon du tube. Exercice d’application : Calculer la tension superficielle d’un liquide si le volume recueillis au bout d’un tube capillaire pour un nombre de goutte n = 117 et V = 1630 cm3. Sachant que : Le diamètre de l’orifice est 10 mm. La masse volumique du liquide 1200 kg / m3. On prend g = 10 m/s2. d – Méthode de l’arrachement de l’anneau (méthode de Nouille) ou de la lame (méthode de Wilhelmy) : Méthode de Nouille : Effet de la montée de l’anneau sur la surface du liquide Le principe et le même que la lame verticale, sauf qu’on un anneau au lieu de la lame. La méthode consiste a mesuré la force nécessaire pour arracher un anneau rigide immergé dans le fluide. L’anneau est relié par l’intermédiaire d’un fil de tension à une balance de mesure. Il suffit de diviser la force mesuré au moment de l’arrachement par deux fois le périmètre de l’anneau pour obtenir la tension superficielle. 2 × 2πr × γ = m × g r : rayon de l’anneau. m : masse exercée. g : pesanteur Méthode de Wilhelmy : On mesure le poids du liquide soulevé le long des deux phases d’une lamelle rectangulaire (en platine). Si la longueur de la lame est L le poids du liquide soulevé sur les deux phases est 2p. Si m est la masse utilisée pour équilibrer la balance alors : m × g = 2p = 2 γ L La lame de platine doit être nettoyée est flambée. Exercice d’application : On affleure une surface de liquide par la base rectangulaire d’une plaque de platine de langueur L = 9,5 mm et de largueur l = 0,5 mm suspendue à un fil. Calculer la force qu’il faut appliquer à l’extrémité du fil pour détacher la lame de la surface du liquide. Données : on suppose un étalement parfait du liquide sur le platine. La tension superficielle du liquide 50 mJ / m2. b – Méthode d’ascension capillaire :acéton La hauteur à laquelle s’élève un liquide dans un tube capillaire est déterminée par le rayon du tube l’angle de raccordement à la ligne commune à la paroi du tube et au liquide étudié. Ce phénomène fournit les moyens les plus précis et largement employés pour les mesures de γ. larboter P1- P2= γ ( 1 r1 + 1 r2) loi de Laplace Où : r1 et r2 sont les rayons de courbure principaux de la surface (ménisque). Soit un tube cylindrique plonger dans un liquide de surface large. Si le rayon du tube est assez petit sa surface peut être vue comme sphérique c'est-à-dire que les deux rayons de courbure sont les même (r1 = r2 = r) R = r cosӨ Où : R : rayon du capillaire. Si l’angle de raccordement est nul, le rayon de courbure est égal au rayon capillaire (R = r) Donc : P1- P2= 2γ R ΔP= 2γ R Exercice d’application : Un liquide mouillant parfaitement le verre et de masse volumique ρ = 1,05 × 103 kg / m3, s’élève à une hauteur moyenne h = 1,5 cm dans un tube capillaire en verre vertical et de diamètre intérieure d = 1mm. Etablir l’expression mathématique reliant la tension superficielle (γ), la masse volumique (ρ) et le rayon du tube. Calculer la tension superficielle du liquide (g = 10 m/s2). d – Méthode de la pression maximal des bulles (Pmax) : Cette méthode consiste à souffler un gaz inerte dans un liquide par l’intermédiaire d’un capillaire de rayon R. Le rayon de courbure de la bulle diminue jusqu’à atteindre un minimum correspondant au rayon du capillaire. Ce rayon minimal correspond au maximum de la pression de Laplace. La pression à l’intérieur du capillaire est mesurée par rapport à la pression atmosphérique, à l’aide d’un manomètre. La bulle étant formée à une profondeur h dans le liquide, on obtient pour la pression l’expression suivante : On pourra donc en déduire la Tension superficielle par la relation : III – Variation de la tension superficielle en fonction de la température : La TS est une fonction de température, c’est pour cela on indique toujours la température de mesure de la TS. Si on augmente la température d’un liquide, l’agitation thermique augmente et les molécules auront tendance à quitter la surface et la phase vapeur sont riches en molécule, la force des attirant diminue, donc γ diminue et on peut dire aussi ; quand la température augmente les forces d’interactions moléculaires diminuent, γ diminue. (1) (2) (3) Exemple : Variation de TS en fonction de la température de quelque liquide (dyn/cm). Remarque : A température critique, le liquide et sa vapeur sont indiscernables, γ donc s’annule. CHAPITRE 02 : SURFACE DES SOLUTION Introduction : Pour une solution = soluté + solvant, on remarque que le soluté peut se placer sur la surface de solvant ou au fond du solvant ; cela dépendra de la tension superficielle de la solution. a - Si γsoluté > γliquide : Le soluté aura tendance à s’accumuler au fond de la solution, cette accumulation est dite adsorption négative (Nacl par exemple). b - Si γsoluté < γliquide : Le soluté aura tendance à s’accumuler à la surface de liquide, le soluté est dit surface active et cette accumulation présente une adsorption positive. Les substances qui possède un pouvoir marqué de diminuer la TS de l’eau sont appelés tensioactive. Généralement les molécules de ces substances sont constituées d’une partie hydrophobe (qui n’a pas d’affinité pour l’eau) qui ont à sortir de la solution et d’une uploads/Litterature/ chimie-des-surfaces.pdf