La tension superficielle, ou tension de surface, est un phénomène d’augmentation ou diminution de l’énergie entre deux milieux qui ne se mélangent pas (un fluide et un solide par exemple). La matière n’est pas tout à fait dans le même état que dans le reste du milieu. Dans le cas où un liquide (comme l’eau) est en contact avec un solide, le liquide va toujours essayer de minimisé sa surface de contact avec le solide. La tension superficielle est une force par unité de longueur qui se mesure en N.m−1 (Newton par mètres). Pour un liquide, plus la valeur de la tension superficielle est importante, plus le liquide aura tendance à rester sous forme de sphère*.

 

Exemple de l’eau :

Les molécules d’eau sont attirées entre elles par des forces électrostatiques. Les molécules situées en périphérie sont attirées entre elles uniquement en direction de l’intérieur, ce qui dans certains cas forme une goutte d’eau (la sphère étant la forme de surface la plus petite possible). La tension superficielle de l’eau vaut 75 N.m-1.

La tension superficielle de la goutte dépend du matériau sur lequel elle repose :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                               Force d'attraction des molécules d'eau

 

 

–  Si la goutte d’eau repose sur un matériau à faible énergie de surface (le plastique, par exemple), les forces d’attraction de la goutte seront prépondérantes et la goutte aura tendance à minimiser la surface de contact avec le solide. Dans le cas du lotus, cette énergie de surface est extrêmement faible de par la super-hydrophobicité de sa surface. Le mouillage est donc très faible et l’eau ruisselle donc sur la feuille de lotus sans mouiller celle-ci.

 

– En revanche,  si le matériau sur lequel repose la goutte développe une énergie de surface se rapprochant de celle de l’eau (le verre par exemple), cette énergie aura tendance à contrebalancer les forces de l’intérieur de la goutte et celle-ci s’étalera sur le matériau.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Comment expliquer la tension superficielle ? (2 exemples)

Nous sommes partis de l'hypothèse que le liquide  vaisselle est un tensioactif, donc qu'il modifierait  la tension superfielle entre deux surfaces.

 

L'Experience du poivre:

 

La manipulation, le protocole:

• Verser de l'eau dans la soucoupe (ou dans l'assiette)

• Déposer le poivre uniformément à la surface de l'eau

• Tremper le pic en bois (ou son propre doigt) dans le liquide vaisselle

• Toucher la surface de l'eau avec le pic (ou le doigt)

 

Observation:

Dès que l'on dépose un pic en bois enduit de liquide vaisselle, le poivre se disperse et s'éloigne du pic.

 

Explications:

De manière simple, lorsque que l'on met du poivre sur l'eau, celui-ci flotte car la tension superficielle à la surface de l'eau lui permet de flotter. Lorsque l'on met son doigt dans l'eau sans le mettre en contact avec du liquide vaisselle, rien ne se passe. Mais si on trempe son doigt ou un pic en bois dans le produit vaisselle, celui-ci diminue la tension superficielle de l'eau et change l'organisation de la surface de l'eau, ce qui déplace le poivre.

 

Pourquoi le poivre se disperse-t-il au contact du produit vaisselle ?

 

Interprétation:
La tension superficielle est une tension qui existe entre deux interfaces (ici solide/liquide). À la surface de l'eau, les molécules d'eau forment une membrane tendue. Ce phénomène est appelé tension superficielle.
En touchant la surface de l'eau avec du détergent à vaisselle, on affaiblit la tension superficielle, cet effet se propage et le poivre se disperse, car la tension superficielle sur le bord du plat est supérieure à celle que l'on retrouve au centre; le poivre est donc attiré vers le bord du plat. Le liquide vaisselle est un agent tensioactif, c'est à dire qu'il modifie la tension superficielle entre deux surfaces (dans ce cas-ci en l'abaissant). Un agent tensioactif est amphiphile, il comporte une partie qui est attirée par l'eau, que l'on dit hydrophile et polaire, et une partie qui est repoussée par l'eau, que l'on dit hydrophobe et apolaire.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Quels sont lespropriétés physiques et chimiques en oeuvre ici ?

 

La force de Van der Waals : Les liquides possèdent des forces d'attraction de courte portée entre les molecules . Ces forces sont appellées forces de Van der Waals. A l'interieur du liquide ces forces sont sans effet car elles se compensent . Mais, a la surface, la force attractive est dirigée vers l'interieur du liquide car ces molécules ne  sont que d'un seul coté, au niveau du coté liquide et non au niveau du coté gazeux. La surface du liquide prend alors la valeur la plus petite possible afin de minimiser la tension de surface, ce qui explique la forme des gouttes sur une surface hydrophobe .

 

 

Angles de contact et loi de Young : On differencie une surface non-hydrophobe d'une surface hydrophobe grâce a l'angle de contact d'une goutte d'eau avec la surface sur laquelle elle repose .

Quand cet angle est égal a 0° alors le liquide mouille parfaitement la surface , cette surface n'est pas hydrophobe .

Quand l'angle est inférieur ou égal a 90° alors on peut définir la surface comme hydrophile ( qui a une affinité pour l'eau , qui peut créer des liaisons d'hydrogène avec l'eau ) car la goutte mouille partiellement la structure.

Si l'angle de contact est superieur a la valeur de 90°, cette surface est alors dite «hydrophobe ».

Et quand la mesure de l'angle est superieur a 150° , la goutte mouille très peu la surface alors cette surface est superhydrophobe .