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Chapitre 3 : Phénomènes de surface
1. Phénomènes de surface
Plusieurs phénomènes de surfaces sont visibles à l’œil humain. Par exemple :
( 1 ) Certains insectes peuvent marcher facilement à la surface de l’eau ;
( 2 ) formation de gouttes d’eau et de bulles d’air ;
( 3 ) mouillabilité des surfaces solides par des liquides ;
( 4 ) montée de l’eau dans des tubes verticaux (capillarité).
➢ Tous ces phénomènes sont explicables par l'existence de force de surface (ou
interface), appelée force de tension superficielle dont le rôle de maintenir en
équilibre la surface libre du liquide considéré.
2. Définitions
a) La tension superficielle est la force de traction par unité de longueur agissant sur un élément de surface,
situé dans un plan tangent à la surface et qui s’oppose à la dilatation de celle‐ci : = F t
/L => F
t
= .L
L'unité de est : N.m
Explication :
▪ Au sein du liquide au repos : ∑ 𝐹
𝑎𝑡𝑡𝑟𝑎𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛
= 0 => la cohésion entre molécules du liquide est parfaite.
▪ Au niveau de la surface : ∑ 𝐹
𝑎𝑡𝑡𝑟𝑎𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛
≠ 0 => la présence d’une autre force qui empêche les molécules
du liquide à la surface de passer dans l'air.
▪ A l’équilibre : ∑ 𝐹
𝑎𝑡𝑡𝑟𝑎𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛
+ F
t
= 0 => interprétation : les molécules de surface du liquide se
comportent donc comme une membrane tendue sur les autres molécules de volume. Pour maintenir les
molécules en surface, la membrane comprime le liquide au voisinage de la surface (de 1 à 100nm), d’où le
terme de tension superficielle. Ceci explique par ailleurs que tout liquide tend spontanément à diminuer sa
surface. Ainsi se forment les gouttes d’eau et les bulles d’air. A noter que la forme sphérique présente le
plus faible rapport surface/volume.
▪ Si on veut augmenter la surface d’un film liquide de : dS = dl. dx, il faudra exercer une force extérieure :
dF = dF
t
= . dl sur un des côtés du film de longueur dl.
Le travail dW correspondant à l’augmentation dS du film est : dW = dF. dx = . dS ➔ = dW/dS.
La deuxième unité de est : J.m
▪ Il a été observé expérimentalement que diminue quand la température augmente.
Le tableau suivant donne quelques valeurs de pour certaines interfaces liquide-air.
Interface Eau/air Eau/air Eau savonneuse-air Mercure-air
(N/m)
T (°C) 0 20 20 15
b) Interface : une zone de matière entre deux états de matière adjacents.
On distingue plusieurs types d’interfaces telles que : solide-gaz, solide-solide,
solide-liquide, liquide-liquide et liquide-gaz. Au niveau des interfaces les propriétés
physico-chimiques sont considérablement modifiées. Dans ce cours nous nous
intéresserons uniquement aux quatre types d’interfaces : liquide-liquide, liquide-
gaz, liquide-solide et solide-gaz. La tension superficielle s’appelle dans ce
cas tension interfaciale
c) Travail de cohésion et travail d’adhésion
Considérons deux liquides non miscibles, notés : (1) l’huile, et (2) l’eau.
- Le travail de cohésion (W
c
) concerne un des deux liquides (c-à-d : une seule phase).
Il représente l’énergie requise pour créer deux surfaces identiques par 1 unité de
surface (ou deux interfaces : liquide-air).
Le travail de cohésion par unité de surface est : 𝑊
11
𝑐
W
S
1
1
: tension superficielle du liquide (1)
a
) représente le travail nécessaire pour séparer une unité
de surface de l'interface commune entre deux liquides pour former deux interfaces
différentes liquide-air.
Le travail d’adhésion par unité de surface est : 𝑊
12
𝑎
W
S
1
2
12
1
: tension superficielle du liquide (1)
2
: tension superficielle du liquide (2)
12
: tension interfaciale des deux liquides en contact
▪ Conséquences :
= 0 : mouillage parfait
0 < < /2 : liquide mouillant (mais partiel) => Exemple : eau/verre : ≈ 0°C
/2 < < : liquide non mouillant => Exemple : Mercure/verre : ≈ 140°C
= : mouillage nul
▪ Le travail d’adhésion « solide – liquide » par unité de surface est : 𝑊
𝑆𝐿
𝑎
𝐿
𝑆
𝑆𝐿
On a: 𝜎 𝑆
𝑆𝐿
𝐿
𝑆𝐿
𝑎
𝐿
𝐿
𝑆𝐿
𝑎
𝐿
▪ Le coefficient d 'étalement est donc : 𝑆 = 𝑊
𝑎
𝑐
𝐿
𝐿
𝐿
𝐿
Exercice
Pour le chloroforme, l'énergie interfaciale liquide-air est de 26,9.
J/m
2
. L'énergie interfaciale liquide-eau
est de 32,3.
J/m
2
. La tension superficielle (à la même
Température) de l'eau est 72,8.
J/m
2
- Quelle est le travail d'adhésion chloroforme-eau?
- Une goutte de chloroforme s'étale-t-elle à la surface de l'eau?
Réponse
1. W
CE
= σ E
− σ CE
− 3
− 3
− 3
− 3
J/m
2
2. W
C
=2σ C
− 3
− 3
J
S = W
CE
- W
C
0 ➔ le chloroforme s'étale
5. Pression à travers les surfaces courbes
a) Cas de la goutte liquide
Soit une goutte pleine de forme sphérique de rayon R, de surface S = 4πR
2
, et de volume V=4/3.πR
3
La pression à l’intérieur de la goutte (P i
) est supérieure à celle du milieu extérieur (P e
) à cause de la forme
convexe de la goutte (P i
> P
e
Si R augmente de dR :
S augmente de dS = 8π.RdR
V augmente de dV= S.dR = 4π.R
2
dR
▪ Forces : F i
sens + : de l’intérieur vers l’extérieur ;
F
e
en sens opposé (sens - ).
▪ Travail des forces de pression au cours de cette opération :
dW i
= +P
i
.dV = p i
4 π.R
2
dR et dW e
= - P
e
.dV= - p e
4π.R
2
dR
P => le travail total est donc : dW= dW i
= (p i
) 4πR
2
dR.
Ce travail est égal à celui des forces de tension de surface : dW = σ dS = σ.8π.RdR
Il s’ensuit : ΔP = 𝑃
𝑖
𝑒
2 σ
𝑅
Cette relation représente la loi de Laplace.
▪ La loi de Laplace peut être généralisée aux autres formes géométriques comme suit :
ΔP =
= σ (
1
2
R
1
et R 2
sont les deux dimensions principales de la forme géométrique considérée :
a) cas de la surface plane (R 1 = R 2 → ) : ΔP = 0
b) cas de la surface de forme sphérique (R 1
= R
2
= R) : ΔP =
2 σ
𝑅
c) cas de la surface de forme cylindrique (R 1
= R ; R
2
→ ) : ΔP =
σ
𝑅
b) Cas d’une bulle de savon
C’est un film sphérique mince d’épaisseur : t << R, et il possède deux surfaces de séparation, une intérieure
(P
i
) et l’autre extérieur (P e
La pression entre les deux surfaces est notée P s
𝑖
𝑠
2 σ
𝑅
𝑖
, et : 𝑃
𝑠
𝑒
2 σ
𝑅
𝑖
+𝑡
Comme t << R => R i
= R
e
= R
i
Donc : 𝑃
𝑖
𝑠
2 σ
𝑅
, et : 𝑃
𝑠
𝑒
2 σ
𝑅
𝑖
𝑒
4 σ
𝑅
Réponse
La loi de Jurin : ℎ =
2σ.𝑐𝑜𝑠𝜃
𝑟.𝜌.𝑔
4σ.𝑐𝑜𝑠𝜃
𝑑.𝜌.𝑔
- Cas du Hg : parfaitement non mouillant => 𝜃 = 𝜋 => 𝑐𝑜𝑠𝜃 = − 1
4 σ
𝐻𝑔
𝐻𝑔
− 3
− 3
3
Le niveau du mercure dans le capillaire est en dessous de celui contenu dans le récipient
- Cas de l’eau pure : parfaitement mouillant => 𝜃 = 0 => 𝑐𝑜𝑠𝜃 = + 1
4 σ
𝑒𝑎𝑢
𝑒𝑎𝑢
− 3
− 3
3
Le niveau de l’eau dans le capillaire est en dessus de celui contenu dans le récipient
7. Quelques applications des phénomènes superficiels
- La mouillabilité joue un rôle important dans de nombreux domaines comme : l’industrie chimique
(peinture…), automobile, cosmétiques, mais aussi dans le domaine de la santé au sens large (gonflement
des poumons à la naissance, humidification de l’œil…). A noter que certains agents mouillants sont utilisés
en pharmacie pour favoriser la pénétration des médicaments à travers la peau. A l’inverse on peut chercher
des anti-mouillants pour réduire la pénétration des produits toxiques.
- Le poumon est un échangeur gazeux, au niveau du quel est capté l’oxygène de l’air inspiré. La surface des
poumons est augmentée par la présence des alvéoles. La dilatation des poumons requiert un travail
considérable car la tension superficielle qui colle les membranes alvéolaires est élevée. Pour faciliter la
ventilation, des surfactants réduisent la tension superficielle à la surface interne des alvéoles. La présence
de ces surfactants réduit le travail nécessaire à la dilatation des poumons : Lorsque l'alvéole se dilate, la
tension superficielle augmente. La résistance à la dilatation augmente et protège les alvéoles contre
l’éclatement.
- La mousse est une dispersion d’un gaz dans un liquide. En agitant fortement un liquide en présence d’un
gaz, on arrive à faire apparaître une mousse, c’est à dire créer de nouvelles interfaces liquide-gaz. Ce
phénomène trouve ses applications dans la séparation des corps tensioactifs dissous. En multipliant les
interfaces, on favorise la concentration sur celles-ci et il suffit alors de recueillir la mousse pour réaliser
une parfaite séparation. Cette méthode est utilisée pour séparer certaines hormones stéroïdes des urines.
- Une émulsion est une dispersion d’un liquide dans un autre liquide non miscible au premier. Celle-ci est
obtenue en secouant violemment les deux liquides. Un des deux liquides est le liquide dispersant, sa phase
est continue, l’autre est dispersé c’est-à-dire séparés en gouttelettes discontinues.
8. Mesure de la tension superficielle
➢ Méthode capillaire : est basée sur la loi de Jurin. C-à-d : en appliquant la loi de Jurin, on déduit une valeur
de de la mesure de la distance h et la connaissance des autres paramètres.
➢ Stalagmométrie de Quincke : est basée sur le comptage des gouttes ;
➢ Méthode de la balance (ou de l’arrachement) : est basée sur la différence de masse.
