Tension superficielle

Définition

La tension superficielle est la propriété de la surface d'un liquide qui lui permet de résister à une force externe, grâce à la cohésion de ses molécules. La tension superficielle de l'eau est d'environ 72 mN/m à 20 °C.

Un insecte Gerridae marche grâce la tension superficielle de l'eau :

Les insectes de la famille Gerridae, et notamment le patineur Gerris lacustris, semble marcher sur l'eau grâce au phénomène de tension superficielle de l'eau.

Explications

La surface de l'eau se comporte comme un film mince tendu. Tout comme un film de caoutchouc étiré, la surface est élastique et capable de s'étirer verticalement et horizontalement sans se casser. Elle peut supporter le poids de nombreux petits insectes qui peuvent "nager" dessus sans effort. Cette propriété est connue sous le nom de tension superficielle de l'eau ou tension de surface.

Les tensions superficielles des liquides sont dépendantes de la température.

L'eau présente une tension superficielle remarquable, mesurant environ 72 mN/m (millinewtons par mètre) à température ambiante, ce qui la place parmi les liquides ayant la tension superficielle la plus élevée.

Cependant, un liquide exceptionnel surpasse l'eau à cet égard : le mercure, un métal liquide unique dont la tension superficielle est étonnante, atteignant près de 500 mN/m.

✅ La tension superficielle est due aux interactions cohésives entre les molécules du liquide. À la masse du liquide, les molécules ont des molécules voisines de chaque côté. Les molécules se tirent de manière égale dans toutes les directions, provoquant une force nette de zéro. Cependant, à l'interface, les molécules liquides n'ont que la moitié des molécules liquides voisines par rapport à la masse du liquide. Cela rend la molécule plus fortement associée aux molécules sur ses côtés et provoque une force nette vers l'intérieur vers le liquide. Cette force résiste à la rupture de la surface et est appelée tension superficielle.

⭐ Il n'y a qu'un seul liquide ayant une tension superficielle plus élevée que l'eau, et c'est le mercure qui est un métal liquide avec une tension superficielle de 465 mN/m. Comme le mercure est un métal, les liaisons entre les molécules sont des liaisons métalliques beaucoup plus fortes que les liaisons hydrogène conduisant à des forces de cohésion très élevées et à une tension superficielle élevée. Pour l'alcool éthylique, la tension superficielle est de 22,3 mN/m.

Force de cohésion

La tension superficielle dans l'eau est due au fait que les molécules d'eau sont polaires. Chaque molécule attire d'autres molécules autour d'elle. De cette façon, chaque molécule est liée à d'autres molécules avec une force appelée force de cohésion, une force électrostatique résiduelle qui est parfois appelée force de van der Waals.

Schéma de la tension superficielle d'un liquide :

La tension superficielle d'un liquide s'applique à l'interface liquide/air. La tension superficielle provient des interactions cohésives entre les molécules d'un liquide.

C'est comme s'ils étaient reliés par une longue chaîne extensible qui parcourt la longueur et la largeur de la surface. L'ensemble de la structure agit comme un tissu élastique. Les molécules qui se trouvent à l'intérieur ne ressentent pas de telles forces car la force nette agissant sur elles par les molécules qui les entourent devient nulle. Ainsi, il est plus difficile de déplacer un objet à travers la surface que de le déplacer lorsqu'il est complètement plongé à l'intérieur.

Tout comme un ressort étiré a plus d'énergie stockée qu'un ressort non étiré, les molécules de surface ont plus d'énergie que les molécules se trouvant à l'intérieur de l'eau. C'est ce qu'on appelle l'énergie de surface.

✅ La force de cohésion entre les molécules provoque une tension superficielle. Plus la force de cohésion est forte, plus la tension superficielle est forte. La molécule d'eau a deux atomes d'hydrogène liés à un atome d'oxygène par liaison covalente. En raison de la forte électronégativité de l'oxygène, il aura une grande partie de la charge négative sur le côté tandis que l'hydrogène sera plus chargé positivement. Cela provoque une attraction électrostatique entre l'atome d'hydrogène d'une molécule et l'atome d'oxygène d'une autre. Les liaisons formées sont appelées liaisons hydrogène qui conduisent à de fortes forces de cohésion entre les molécules d'eau et à une tension superficielle élevée de l'eau.

Force d'adhérence

La force d'adhérence (adhésive) est très similaire à la force de cohésion (cohésive). La seule différence est qu'elle agit entre des molécules différentes. Par exemple, dans une tasse d'eau, une force d'adhérence existe autour de la surface où l'eau touche la paroi de verre du récipient tandis que, dans tous les autres endroits, une force de cohésion existera.

Effet de la température

La tension superficielle de l'eau diminue avec une augmentation de la température en raison des forces de cohésion qui s'affaiblissent progressivement à mesure que la température augmente. La tension superficielle est ≈72,8 mN/m à 20 °C mais descend à moins de 60 mN/m à 100 °C.

Valeurs des tensions superficielles :

Tableau des tensions superficielles pour différents liquides à diverses températures. L'interface est avec l'air.

Propriété de mouillage et d'étalement

L'eau H2O a une bonne propriété de mouillage car la force de cohésion des molécules d'eau est relativement inférieure à la force d'adhérence de la plupart des autres molécules. Nous pouvons dire en d'autres termes que la tension superficielle de la molécule d'eau est comparativement inférieure à celle des autres molécules. Plus la tension superficielle est faible, plus l'effet d'étalement est important.

⭐ L'huile de kérosène se répand sur l'eau en raison de sa tension superficielle plus faible. L'huile ne se répand pas sur l'eau et reste sous forme de petites gouttelettes en raison de sa tension superficielle plus élevée.

✅ L'eau chaude a un plus grand effet d'étalement car la température plus élevée diminue la tension superficielle. C'est pourquoi l'eau chaude peut nettoyer efficacement les vêtements, pénétrant dans chaque pore et chaque fissure. Les savons et les détergents abaissent davantage la tension superficielle, augmentant la propriété nettoyante de l'eau.

La propriété mouillante de l'eau est également due à sa plus faible force de cohésion. Par exemple, l'eau est capable de mouiller le verre et d'autres surfaces métalliques. Le mercure a une plus grande force de cohésion, de sorte qu'il ne mouille pas le verre ou tout autre récipient métallique; le mercure ne peut même pas mouiller le sol lorsqu'il tombe dessus.

La surface sphérique d'une seule goutte d'eau est due à la tension superficielle. Puisque la surface de l'eau se comporte comme un film étiré, elle essaiera toujours de réduire sa surface au minimum tout comme un cordon élastique étiré essaie de minimiser sa longueur. Puisqu'une sphère est la surface minimale pour un volume d'eau donné, la gouttelette prend une forme sphérique.

Capillarité

En raison de l'action capillaire, l'eau monte dans un capillaire contre la gravité. C'est grâce à cette action que l'eau monte dans un arbre depuis le niveau de la racine jusqu'à une certaine hauteur, et c'est pourquoi l'eau mouille un tissu de coton plus facilement qu'un tissu de nylon ou que l'huile ne monte sur une mèche.

La capillarité (action capillaire) existe parce que la force d'adhérence entre les parois d'un tube ou d'un récipient est supérieure à la force de cohésion des molécules d'eau. Alors que la force adhésive tire vers le haut, la force de cohésion empêche cette traction vers le haut. Puisque la première est plus grande, l'eau monte vers le haut dans le vaisseau jusqu'à ce que la force gravitationnelle l'équilibre.

Excès de pression à l'intérieur d'une bulle de savon

Les bulles de savon sont constituées d'une solution de savon dont la tension superficielle est inférieure à celle de l'eau. La force de tension superficielle d'une bulle aura tendance à tirer la surface vers l'intérieur pour la rendre plus petite. Cette tendance crée une pression excessive sur l'air à l'intérieur.

Au point d'équilibre, l'air à l'intérieur est à une pression plus élevée que l'air à l'extérieur pour équilibrer la force créée par la tension superficielle de la bulle de savon. Cette différence de pression dépend du rayon de la bulle et de la tension superficielle de la bulle de savon.

Exemples d'utilisation

Exemples de tension superficielle de l'eau :

• Marcher sur l'eau : Les petits insectes comme le marcheur d'eau peuvent marcher sur l'eau car leur poids n'est pas suffisant pour pénétrer la surface.
• Faire flotter une aiguille : Une petite aiguille soigneusement placée peut être amenée à flotter à la surface de l'eau même si elle est plusieurs fois plus dense que l'eau. Si la surface est agitée pour rompre la tension superficielle, l'aiguille coulera rapidement.
• Ne touchez pas la tente ! : Les matériaux de tente courants sont quelque peu étanches à la pluie dans la mesure où la tension superficielle de l'eau comblera les pores du matériau finement tissé. Mais si vous touchez le matériau de la tente avec votre doigt, vous cassez la tension superficielle et la pluie s'égouttera.
• test clinique de jaunisse : L'urine normale a une tension superficielle d'environ 66 dynes/centimètre mais si de la bile est présente (un test de jaunisse), elle chute à environ 55. Dans le test de Hay, du soufre en poudre est saupoudré sur la surface de l'urine. Il flottera sur l'urine normale, mais coulera si la tension superficielle est abaissée par la bile.
• désinfectants à tension superficielle : Les désinfectants sont généralement des solutions à faible tension superficielle. Cela leur permet de se propager sur les parois cellulaires des bactéries et de les perturber.
• Savons et détergents : Ceux-ci aident au nettoyage des vêtements en abaissant la tension superficielle de l'eau afin qu'elle pénètre plus facilement dans les pores et les zones souillées.
• Lavage à l'eau froide : La principale raison d'utiliser l'eau chaude pour le lavage est que sa tension superficielle est plus faible et qu'il s'agit d'un meilleur agent mouillant. Mais si le détergent abaisse la tension superficielle, le chauffage peut être inutile.
• Pourquoi les bulles sont rondes : La tension superficielle de l'eau fournit la tension de paroi nécessaire à la formation de bulles avec de l'eau. La tendance à minimiser cette tension de paroi tire les bulles vers des formes sphériques.
• Tension superficielle et gouttelettes : La tension superficielle est responsable de la forme des gouttelettes de liquide. Bien qu'elles se déforment facilement, les gouttelettes d'eau ont tendance à être tirées en une forme sphérique par les forces de cohésion de la couche de surface.

En rapport avec "tension superficielle"

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