Tensioactifs

Tension superficielle

Un liquide est un état condensé : les molécules s’attirent. Lorsque cette attraction l’emporte sur l’agitaton thermique, les molécules passent d’une phase gazeuse à une phase dense mais encore désordonnée : un liquide. Les molécules au sein du liquide bénéficient d’interactions attractives avec toutes leurs voisines et sont dans un état « heureux ». Au contraire, à la surface du liquide, elles perdent la moitié des interactions cohésives et sont « malheureuses ». C’est pour cette raison que les liquides vont ajuster leur forme pour exposer le minimum de surface : vos cheveux secs sont bouffants et volumineux, mais une fois mouillés, ils collent ensemble tristement.

Exposé à la surface, une molécule est donc dans un état énergétique défavorable. Si U est l’énergie de cohésion par molécule, une molécule à la surface perd en gros ½U. La tension de surface mesure directement ce défaut d’énergie par unité de surface. Si a est la dimension moléculaire et a² la surface exposée par molécule, la tension de surface est γ ∼ U/(2a²). Plus les interactions attractives sont fortes, plus la tension de surface est grande. Pour la plupart des huiles, où les interactions sont de type van der Waals, U est de l’ordre de grandeur de l’agitation thermique : U ∼ kBT. À 25°C, kBT vaut 1/40 eV, ce qui donne : γ ∼ 20 mJ/m². Pour l’eau, à cause des liaisons hydrogènes, γ est plus grand (γ ∼ 72 mJ/m²). Pour le mercure, qui est un métal liquide très cohésif, U ∼ 1 eV et γ ∼ 500 mJ/m².


Extrait de «Gouttes, bulles, perles et ondes» 

de Pierre-Gilles de Gennes et al.

γ est l’énergie à fournir pour augmenter la surface d’une unité mais elle peut aussi être considérée comme une force 

par unité de longueur 

(1 mJ/m² = 1 mN/m)

dimensions 

(le quadrillage est millimétré)

et masse : m = 1,1 g

À partir de l’expérience du trombone dont les caractéristiques sont reportées ci-dessus, estimez une borne inférieure à la tension superficielle γ de l’eau. Commenter/critiquer.

Du liquide vaisselle a été déposée sur la pointe du couteau. On observe, dans un premier temps, que le trombone « fuit » le couteau, c’est l’effet Marangoni, puis le trombone coule.

Que peut-on dire maintenant de la tension superficielle ?

Explication microscopique ?

Film de savon

Décrire la structure d’un film de savon 

et expliquer qualitativement sa stabilité.

Les deux ondes réfléchies interfèrent. Le déphasage entre le rayon réfléchi 1 et le rayon réfléchi 2 est dû à la différence de marche δ ≈ 2×n1×e entre les deux rayons à laquelle s’ajoute un déphasage de π provoqué par la différence de nature entre les deux réflexions.

Le déphasage total vaut donc 

(en ne tenant pas en compte l’angle) :

La simulation suivante donne l’évolution de l’amplitude de l’onde résultant de l’interférence entre deux ondes déphasées de 2πd/λ + π en fonction de la distance d (en nm), pour 3 longueurs d’onde différentes (bleue, verte, et rouge) ainsi que la couleur donnée par la superposition de ces 3 ondes en fonction de d (une atténuation de l’amplitude en fonction de la distance a été ajoutée).

Déduisez un maximum de chose 

(qualitatives et quantitatives) 

de votre photo de l’expérience 

ou de la photo ci-contre.

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