5. LA TENSION SUPERFICIELLE DES LIQUIDES. LA DÉTERMINATION DE LA TENSION SUPERFICIELLE À L AIDE DU STALAGMOMÈTRE DE TRAUBE

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1 5. LA TENSION SUPERFICIELLE DES LIQUIDES. LA DÉTERMINATION DE LA TENSION SUPERFICIELLE À L AIDE DU STALAGMOMÈTRE DE TRAUBE CONSIDÉRATIONS THÉORIQUES La surface d un liquide agit comme s il était couvert par une couche élastique mince qui exerce des forces associées au phénomène connu sous le nom de tension superficielle. La raison de l'existence de la tension superficielle peut être comprise à partir de la Figure 1. Les molécules des liquides s attirent mutuellement par des forces cohésives, ce que se traduit par une faible distance entre les molécules (d ordre de 0,1 nm). Les forces d attraction cohésives sont des forces à courte portée, basées sur les interactions électroniques affectant seulement les molécules dans leur voisinage immédiat (la zone d interaction moléculaire). Figure 1. Les forces cohésives agissant sur molécule à la surface et à l intérieur du liquide. Une molécule à l intérieur d un liquide est soumise à des forces d attraction exercée par les molécules voisines de tous les côtés, leur résultante est égale à zéro parce que les molécules environnantes exercent des forces d égale importance dans toutes les 1

2 directions. Cependant, la résultante des forces d attraction sur une molécule à la surface du liquide n est pas zéro, elle est orientée vers l intérieur du liquide. Comme les molécules de liquide dans la couche de surface sont attirées vers l intérieur, la couche superficielle va exercer une pression supplémentaire sur le liquide et elle explique la très faible compressibilité des liquides car ils sont déjà compressés par la surface. Au fur et à mesure qu une molécule se déplace de l'intérieur à la surface, elle acquiert de l énergie potentielle par rapport à sa position initiale. Le coefficient de proportionnalité dans l expression de l énergie potentielle de la surface libre du liquide en fonction de l aire est appelé tension superficielle. E p A (1) où E p représente l énergie potentielle, A représente l aire à la surface de séparation liquide vapeur et est la tension superficielle. La tension superficielle dépend : de la nature des substances de la température de la concentration des solutions Il est connu que les systèmes sont généralement stables lorsque leur énergie potentielle devient minime. Donc, l état stable est atteint lorsque le nombre minimal de molécules forme la surface, ce qui conduit à la tendance de décroissance de la surface libre du liquide (les liquides tendent à adopter des formes qui minimisent leur surface). L'exigence géométrique pour la plus petite surface à un volume fixe est satisfaite par la sphère. C'est la raison pour laquelle les gouttes d'eau se formant librement ont une forme sphérique. La définition énergétique de la tension superficielle n en est pas la seule. peut être exprimée comme la constante de proportionnalité dans l expression des forces de surface F en fonction de la longueur de la surface l: F l () Les unités de mesures de la tension superficielle seront :

3 N 1J 1 SI 1m 1m (3) Une substance organique est dite amphiphile lorsqu'elle possède à la fois un groupe hydrophile (polaire) et un groupe hydrophobe (apolaire les chaînes hydrocarbonées). Les molécules amphiphiles ont des propriétés tensioactives elles baisse de façon importante la tension superficielle, en particulier celle de l'eau, car à petite concentration ses molécules s accumulent à la surface (Figure ). Elles ont la tendance très puissante de s adsorber à l interface entre l air et l eau, quand la partie hydrophobe de la molécule peut échapper du milieu aqueux, pendant que la partie hydrophile reste dans l eau. Ces substances s appellent des surfactants. La tension superficielle d une solution de surfactant diminue au fur et à mesure que la concentration de surfactant augmente jusqu à un moment quand la surface est saturée. La tension superficielle reste désormais constante car il n y a plus d influence des molécules de surfactant sur la surface libre. Les molécules se distribuent à l intérieur du liquide sous forme des associations de plusieurs molécules appelées micelles (en générale sphériques) (Figure 3). Les parties hydrophiles des micelles sont orientées vers l eau et les chaînes hydrophobes forment des régions desquelles le solvant, l eau, est exclu. Figure Figure 3 Les substances qui forment des solutions dont le coefficient de tension superficielle ne change pas ou augmente très peu s appellent tensio inactives (les électrolytes ou les substances fortement polaires). 3

4 Dans le cas du sérum sanguin normal, le coefficient de tension superficielle est égal à N/m et dans le cas d urine, N/m. Ces valeurs ne sont que légèrement plus petites que le coefficient de tension superficielle de l'eau à 0 C, qui est égal à N/m. Elles diminuent considérablement le moment quand les substances tensioactives s accumulent dans le sang et sont éliminées par l urine (les sels biliaires en cas d'ictère mécanique). LA MESURE DE LA TENSION SUPERFICIELLE À L AIDE DU STALAGMOMÈTRE DE TRAUBE Le stalagmomètre de Traube est un compte gouttes terminé par un capillaire et un large rodage plat de rayon R afin de réaliser un "mouillage parfait" avec un angle de raccordement pratiquement nul. Lorsque le liquide s'écoule lentement et verticalement, une goutte de masse m se forme puis se détache. La goutte se détache lorsque son poids G=mg est égal à la force agissant à l'extrémité du tube : mg=r (4) où R est le rayon du capillaire du stalagmomètre. Pour liquides à tensions superficielles différentes et on écrit l équation (4) : m 1 g=r (5) m g=r (6) Si on divise les équations (5) et (6) : m1 m (7) 1 où m et m sont les masses des gouttes du liquide 1 et du liquide et et sont leurs tensions superficielles. Si on utilise un liquide de référence, qui à la tension superficielle connue, comme l eau, la tension superficielle d un n importe quel autre liquide peut être déterminée par l équation : 4

5 m H O (8) m Si on considère la masse d une goutte m Vgoutte et le volume d une goutte égal au volume du réservoir du stalagmomètre divisé par le nombre de gouttes qui VR tombent Vgoutte on aura la formule de calcule de la tension superficielle d un n liquide : nh O H O (9) n H O H O réservoir Traits d étalonnage Volume réservoir V R Figure 4. Le stalagmomètre de Traube. LES OBJECTIFS Apprendre et appliquer la méthode du stalagmomètre. 5

6 Déterminer les coefficients de tension superficielle des différentes solutions. MODE DE TRAVAIL Matériaux : Stalagmomètre de Traube Support vertical Eprouvette graduée Eau distillée Solutions d alcool éthylique 80% (V/V) Bécher Berzelius Protocole expérimental Lavez le stalagmomètre Fixez verticalement le stalagmomètre dans le support et mettez au dessous le bécher Berzelius avec de l eau distillée Aspirez de l eau distillée dans le stalagmomètre à l aide de la seringue jusqu au dessus du traits supérieur Comptez le nombre de gouttes détachées quand le liquide s écoule du trait supérieur au trait inférieur n HO Préparez par dilution des solutions alcooliques à concentrations 40 %, 0 %, 10 % (V/V) à partir de la solution stock 80 % (V/V) Répétez les opérations précédentes pour chaque solution alcoolique CALCULS ET RÉSULTATS Calculer la tension superficielle de chaque solution par la formule (9) : nh O H O n H O Représentez la tension superficielle des solutions alcooliques en fonction de la concentration % (V/V) 6

7 Complétez le tableau suivant Solutions n HO n ρ HO ρ Conc. % (V/V) m g/cm 3 g/cm , , , ,997 0,9835 m 7