Trop de questions sur les tensions de surface… Pour ne pas aller en profondeur

Les phénomènes de tensions de surfaces sont partout. Tout le temps. Depuis les cheveux qui restent mouillés, jusqu’aux surfaces ultra-hydrophobes, en passant par le fameux « ménisque » que forme l’eau dans un tube en verre, ou encore les bulles de savon, et la flottaison des canards…

Ça me donne même envie de me lancer dans une série de billet là-dessus, tiens ! Mais comme je sais que je ne tiendrais pas vraiment la distance, on va essayer ici de poser les bases de la notion de tension superficielle, (ou tension de surface, c’est pareil.)

Bon, entrons directement dans le vif du sujet. Ce qu’on appelle tension de surface, c’est la force qu’il faut exercer par unité de longueur, pour séparer la surface d’un liquide en deux. On peut voir cela sur cette illustration schématique, représentant une portion de liquide et sa surface, en train d’être séparée en deux:

source : Cours de l’Université de Lille

Dans le schéma précédent, si est le vecteur force de tension, sa valeur sera proportionnelle à la longueur L de la « fente » crée par la séparation de la surface : . Et le est justement appelé tension superficielle du liquide (mesurée en Newton par mètre).

En terme d’énergie, plus est grand, plus l’énergie de surface (mesurée en Joules par m²) est grande, c’est-à-dire plus il sera difficile de séparer la surface du liquide.

Mais attention, la surface d’un liquide est forcément en contact avec autre chose ! Un gaz, un autre liquide, un solide qui vont, de façon assez évidente influer sur la tension de surface. On va donc écrire pour une interface liquide (L) et gaz (vapeur V) ou  (liquide – solide) etc.

Mais au fait, d’où vient cette force de tension ?

Pour comprendre cela, il faut revenir à la structure microscopique du liquide, et des liaisons inter-moléculaires entre les molécules qui le compose. Plutôt que de faire de long discours, on va examiner deux situations très différentes.

Prenons l’eau, de formule . Chaque hydrogène est lié à l’oxygène, suivant une géométrie bien particulière :

En rouge, l’atome d’oxygène, en blanc, les hydrogènes. Pour rappel, les liaisons entre les atomes sont en fait constituées de 2 électrons, un provenant d’un atome, l’autre provenant de l’autre.

Quand on regarde précisément, on se rend compte que l’oxygène attire fortement à lui les électrons qui constituent les liaisons avec les hydrogènes. Lui se retrouve riche en électron, donc plutôt chargé négativement (les électrons étant eux-mêmes chargés – ). Et les hydrogènes se retrouvent appauvris en électrons, donc plutôt chargé positivement. [Pour les amoureux des termes qui permettent de briller en société, on parle de liaisons polarisées].

La conséquence de ces liaisons polarisées est simple : un oxygène d’une molécule d’eau, chargé – , va attirer à lui des hydrogènes d’autres molécules, eux chargés +. Et grâce à cette propriété, un réseau de liaisons intermoléculaires se crée. [Il faut entendre par liaison inter-moléculaire ici des interactions attractives, qui solidarisent les molécules entre elles].

Forcément, lorsqu’on sépare une surface, on doit rompre un certain nombre de ces liaisons. Donc exercer une force, et on arrive ainsi à la « tension de surface ».

Prenons maintenant un alcane. Molécule banale constituée uniquement de carbone et d’hydrogène, avec des liaisons simples. Prenons de l’hexane (plus précisément, le n-hexane), qui est liquide à température ambiante. De formule , on peut le représenter comme cela :

Cette molécule ne présente pas de liaisons polarisées. Donc pas de charges localisées qui permettent de créer les mêmes liaisons qu’entre les molécules d’eau. Forcément, la tension de surface à appliquer sera beaucoup, beaucoup plus faible avec ce liquide qu’avec l’eau.

[En fait, dans le cas des alcanes, et en fait dans le cas de toutes les molécules qui ne contiennent pas de liaisons polaires, il existe quand même des liaisons intermoléculaires. Mais leur intensité est au moins 10 fois plus faible que pour les liaisons entre les molécules d’eau.

Pour briller en société : l’ensemble des liaisons intermoléculaires sont les liaisons de Van Der Waals. Celle qui concerne l’eau sont les Liaisons Hydrogènes, les plus fortes. Celle qui concerne les alcanes, sont les liaisons de London, les plus faibles.]

Ainsi, la tension superficielle de l’eau à 20°C est , et celle de l’hexane à 20°C est  (pour connaître les valeurs solvant par solvant, c’est là).

On peut aussi déterminer les tensions superficielles d’un liquide en contact avec du verre ou d’un autre matériau solide, ou d’un autre liquide, etc. Finalement, tout dépendra des interactions inter-moléculaires au sein du liquide d’une part, et entre les molécules du liquide et les molécules de l’autre matériau.

Alors, un petit exemple d’utilisation de cette tension superficielle ? Le ménisque

Pour raisonner simplement, il faut se souvenir d’une chose primordiale, et commune à toute la physique et la chimie ; un système est stable s’il atteint un minimum d’énergie.  (Pas forcément LE minimum, un minimum local peut suffire)

On voit la notion de stabilité illustrée ici avec une bille sur un profil vallonné : en bas, où l’énergie potentielle de pesanteur est minimale, l’équilibre est stable. En haut, instable. A gauche, un état « métastable » : une petite perturbation peut causer une instabilité. La bille tombe alors en bas.

Sans interactions de surface, la cause est entendue : soumise à la gravité, l’eau DEVRAIT avoir une surface parfaitement horizontale pour minimiser l’énergie potentielle de pesanteur. Oui, mais voilà, il faut aussi prendre en compte les énergies de surface.

Le réseau de silice qui forme le verre peut réaliser des liaisons intermoléculaires avec l’eau fortes (des liaisons hydrogènes, et aussi des liaisons de Keesom), ce qui explique une tension de surface assez élevée qui compense localement la force de gravité : l’eau « remonte » sur les parois.

En pointillé, les liaisons hydrogènes entre le verre et l’eau, ou entre molécules d’eau (les pointillés à droite symbolisent la suite du réseau de silice dans le verre)

On peut aussi avoir une situation inverse, où les interactions entre le matériau et le liquide sont plus faibles qu’avec l’air: le liquide maximalise les interactions « internes », et minimise celles avec le tube de verre : il apparaît un ménisque convexe, comme si le verre repoussait le fluide…

Ménisque formé par du mercure dans un tube en verre.

Et bien j’espère que cette notion de tension de surface, ou tension superficielle est plus claire maintenant ! Parce que ce n’est qu’un début :

A suivre, donc, et dans le désordre (et dans un timing non déterminé) :

• Les canards du Lac Léman
• Les surfaces ultra-hydrophobes, à 4 mains, avec Sirtin (avec une petite expérience sympa à faire avec ses propres petites mains)
• les surfactants
• et plein d’autres choses !