Résumé. Introduction

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1 Résumé Dans cette expérience, nous avons tout d abord mesuré la tension de surface de différents solvants, de l eau distillée et du toluène grâce à deux méthodes : Noüy ring et Wilhemly plate. Puis, la tension interfacialle entre deux liquides différents a été déterminée. Nos valeurs obtenues sont proches des valeurs théoriques. Finalement, nous avons déterminé l angle de contact entre différents solides et liquides. Introduction La première partie de cette expérience consiste à déterminer la tension de surface de différents liquides (air-liquide) et la tension interfacialle entre l eau et le toluène (liquide-liquide) ainsi que l influence de molécule (SDS) ou d ion (NaCl) sur la tension de surface à différentes concentrations. Deux méthodes ont été utilisées pour calculer la tension de surface: Noüy ring : cette méthode consiste à immerger un cercle de platine dans un liquide et lorsque le cercle remonte il forme une lamella avec le liquide. gδm=4γrπ g = constante gravitationnelle [N/kg] m = différence de masse du cercle [kg] γ = tension de surface [N/m] R = rayon du cercle[m] 1

2 La tension interfacialle entre 2 liquides se mesure Rayleigh : par la relation de Lord γ ab =γ a γ b 2 γ a γ b Wilhelmy plate : cette méthodes consiste à immerger un plateau rectangulaire dans un liquide et le plateau remonte verticalement jusqu à se qu il se détache de la surface. gδm=2γl g = constante gravitationnelle [N/kg] m = différence de masse du plateau [kg] γ = tension de surface [N/m] l = largeur du plateau [m] Lorsque des molécules ou des ions sont introduits dans un liquide, ils s accumulent à la surface ce qui diminue la tension de surface. La quantité d espèces absorbée est estimée avec la relation de Gibbs: Γ= 1 γ RT ln c T 2

3 R = constante des gaz parfait [kg*m 2 / s 2 *mol*k] T = température absolue [K] c = concentration [mol/l] γ = tension de surface [N/m] La deuxième partie consiste à calculer l angle de contact entre différentes surfaces de solides et liquides à l aide de ces deux relations : θ < 90 : θ = 90 - arccos s/ 2R θ > 90 : θ = 90 + arccos s / 2R θ = angle de contact 2R = diamètre du cercle s = longueur d interaction entre la goutte et la surface du solide Méthodologie Dans cette expérience, nous avons déterminé les tensions de surface de l eau «pur» et du toluène en utilisant 2 méthodes : L anneau de Noüy et la plaque de Wilhelmy. Pour ce faire, le matériel utilisé doit être strictement nettoyer pour ne pas changer la surface du solvant pris en considération. La marche à suivre est simple : 3

4 Tout d abord, on approche l anneau (ou la plaque) très près de la surface puis on tare. L anneau est ensuite plongé dans le solvant à température ambiante. L appareil va alors remonter tranquillement l anneau afin de le retirer du solvant en laissant apparaître une «lamella» qu il faut faire attention de ne pas briser. La manipulation est répétée 3 fois pour chacune des 2 méthodes. Nous avons ensuite déterminé la tension interfaciale (tension entre 2 liquides) à l aide de la méthode Noüy ring entre l eau et le toluène. La manipulation est répétée 2 fois. La marche à suivre est simple : L anneau est d abord immergé dans le toluène puis dans l eau. On ajoute ensuite le toluène par palier de 1 ml. L anneau doit être à l interface des deux solvants pour une mesure fiable (Δρ = 0,131). On ajoute assez de toluène pour ne pas briser la «lamella». Nous avons ensuite mesuré la tension de surface de différentes solutions de SDS* à l aide de la méthode de Wilhelmy. *Préparation des solutions de SDS : Concentratio n de SDS [mm] 50 ml compléte r jusqu'au trait de jauge avec de l'eau pur

5 Nous avons finalement déterminé l angle de surface entre un solide et un liquide. Pour ce faire, nous avons pris 4 solides différents et 3 solvants différents : - Silicone - Téflon - Graphite - Verre - Eau - Perfluorodécaline - Hexadécane Concentrati on de SDS [mm] ml ajouter une solution de 0.2 M de NaCl puis compléte r jusqu'au trait de jauge avec de l'eau pur La marche à suivre est simple : Sur une surface solide, une goutte de 10 μl est déposé. L appareil mesure l angle de contact grâce à une caméra vidéo. L angle est obtenu par une simple relation trigonométrique. La manipulation est répétée 3 fois pour chaque ensemble solideliquide. Puis la mesure est à nouveau réalisé pour l or avec 4 solvants différents : - Eau - Undécane - Octane - Hexadécane Résultats 5

6 Tension de surface de l eau et du toluène: La mesure des tensions de surface entre air et le toluène est de 63.7 mn/m avec la méthode de la plaque avec un écart type de 1.5 mn/m et de mn/m avec l anneau de Noüy avec un écart type de 0.06 mn/m. La valeur théorique est de mn/m donc les valeurs expérimentales sont bonnes mais on peut voir que pour l anneau les résultats sont meilleurs. L erreur relative pour la plaque est de 14% et pour l anneau de 2.3%. La mesure de γ entre air et le toluène, est de 28.47mN/m avec un écart type de 0.05 mn/m avec la plaque. Avec l anneau γ = 28mN/m avec une déviation standard de 0. On peut remarquer que la tension de surface de l eau est plus grande à cause des nombreuses liaisons hydrogènes. La tension interfaciale entre l eau et le toluène est de 35mN/m avec la méthode de Noüy avec une déviation standard de 0. Avec l approximation de Rayleigh, on trouve que la tension interfaciale devrait être de 9.87 mn/m. Cette valeur est loin de la valeur expérimentale car notre solution ne se comporte pas comme une solution idéale. Calcul du volume absorbé et de la CMC : 1 ( ) RT ᄊ ln C T On trouve pour l eau Γ = 4.8 nm- 2 et l aire par molécule = 1/(Na* Γ) = 3.46*10-25 nm 2 Et pour l eau salée, Γ = 4.18 mm -2 et l aire par molécule = 1/(Na* Γ) = 3.97*10-25 nm 2 6

7 48 Eau tension a = ± 1.85 b = ± 1.25 a = ± 5.4 b = ± ln(c) Eau+NaCl a = ± b = ± tension a =32.85 ± b = ± lnc Et pour CMC, il faut chercher l intersection des deux courbes : CMC (eau) = 5.99 mm CMC (eau salée) = 0.819mM Le CMC est la concentration à partir de laquelle la surface est saturée en SDS. Audelà de cette concentration, la tension de surface n évolue plus. 7

8 On peut remarquer qu avec la présence NaCl, la valeur de CMC diminue ceci est dû au fait que les ions de sel accumulé ont diminué la surface disponible pour le SDS. Angle de contact : Dans le téflon (-CF 2 -CF 2 -) et le graphite les molécules sont liés essentiellement par des force physiques (Van de Waal ou des liaisons hydrogènes). Tandis que pour le verre (SiO2) et le silicone (-Si-O-Si-O-), les molécules sont liés par liaison covalente. La différence entre le verre et le silicone est la disposition spatiale des atomes de silice et d oxygène. Eau silicon teflon verre graphite θ θ θ Moyenn e On peut voir que pour l eau, le silicone, le téflon et le graphite sont moins mouillants (plus hydrophobe) que le verre. Visuellement on a pu aussi voir que pour le verre la goutte s étale plus. Cela s explique par le fait que l eau fait des liaisons hydrogènes avec le verre (SiO 2 ). Pour le téflon et le graphite l angle est grand car l énergie libre est grande car l eau veut minimiser l interaction avec le support. 8

9 Hexadecane silicon teflon verre graphite θ θ θ Moyenn e Hexadecane est une chaîne alcane, donc il y a les mêmes interactions entre le graphite l hexadecane. On peut voir que l angle de contact est bien zéro donc le graphite est complètement mouillant avec l hexadecane. L angle avec le téflon et la silicone est plus petit qu avec l eau. L angle de contact est nul avec le verre. Perfluorodecaline silicon teflon verre graphite θ θ θ Moyenn e

10 Les angles de contact sont de zéro pour le téflon, le verre et le graphite et avec la silicone l angle est faible. Or eau hexadecane undecane octan e θ On remarque que l angle de contact avec l eau est supérieur à 90 donc on peut considérer que la surface est hydrophobe. 10

11 Zisman plot : a b =3.7747e+008 ± 4.9e+008 = e+009 ± 1.17e+010 cos ø gamma N/m 60 70x10-3 Grâce au graphique on trouve que l énergie critique interfacial est de N/m soit 18.84mN/m. Conclusion Cette expérience nous a permis de découvrir les méthodes de «Noüy ring» et de «Wilhelmy plate». Grâce à ces deux méthode, nous avons pu faire la détermination de tension superficielle et de tension interfaciale. Nous en avons ensuite conclu que la première méthode était plus précise bien que plus délicate à réaliser. Nous avons aussi mesuré l angle de contact entre différents solides et différents liquide. Ceci nous a montré l adhérence de certains liquide sur divers surface. Annexes [1] M. Borkovec. Lab journal of analytical chemistry II : surface analysis by surface tension measurements,

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