La tension superficielle C'est une propriété physique que tous les liquides présentent et se caractérise par la résistance que leurs surfaces opposent à toute augmentation de leur surface. Cela revient à dire que ladite surface recherchera 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 de courbures de surface des liquides dans des récipients tubulaires (cylindres gradués, colonnes, tubes à essai, etc.). Ceux-ci peuvent être concaves (courbes en forme de vallée) ou convexes (courbes en forme de dôme). De nombreux phénomènes physiques peuvent être expliqués en considérant les changements que subit la tension superficielle d'un liquide..
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 nous voyons au-dessus des feuilles ne peuvent pas le 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..
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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 d'elle.
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 en surface ne peuvent pas cohésion avec celles de l'environnement 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 contrebalancer ce déséquilibre, les molécules de surface «se pressent», car ce n'est qu'ainsi qu'elles peuvent vaincre 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..
La tension superficielle est généralement représentée par le symbole γ et est exprimée en unités 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
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 qu'elle «se détend» 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.deuxOH OH.
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, ce point sera repris.
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 dépendra directement de leurs interactions intermoléculaires, ainsi que des facteurs structurels et énergétiques..
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
-Azote 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..
On s'attend à ce que les liquides non polaires et organiques aient des tensions de surface plus élevées que ces gaz condensés. Parmi certains d'entre eux, nous avons les suivants:
-Éther diéthylique, 17 dyn / cm à 20 ° C
-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 à mesure que leur masse moléculaire augmente. Cependant, le n-L'octane devrait, selon cela, 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 annulaires, ont des interactions plus efficaces que celles de n-octane. Par conséquent, la surface du toluène est "plus serrée" que la surface du n-octane.
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 ° C
-Acétone, 23,70 dyn / cm à 20 ° C
-Sang, 55,89 dyn / cm à 22 ° C
-Éthanol, 22,27 dyn / cm à 20 ° C
-Glycérol, 63 dyn / cm à 20 ° C
-Chlorure de sodium fondu, 163 dyn / cm à 650 ° C
-Solution de NaCl 6 M, 82,55 dyn / cm à 20 ° C
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..
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 s'infiltrer à travers les pores ou les fissures d'un matériau. En plus de cela, ce ne sont pas des liquides très utiles pour nettoyer les surfaces.
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 place aux molécules d'air avec lesquelles il forme des bulles..
En revanche, de faibles tensions plus élevées sont liées à la stabilisation des émulsions, qui sont très importantes dans la formulation d'une gamme de produits différente..
Enfin, quelques expériences qui peuvent être menées dans n'importe quel espace domestique seront citées..
Un clip métallique est placé à sa surface dans un verre d'eau froide. Comme le montre l'image ci-dessus, le clip restera à flot grâce à la tension superficielle de l'eau. Mais si vous ajoutez un peu de lave en terre cuite au verre, la tension superficielle diminuera considérablement et le trombone s'affaissera soudainement..
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.
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