Généralité sur les phénomènes de mouillage

INTRODUCTION

Toute substance, liquide ou solide à l’équilibre thermodynamique, est entourée de sa vapeur saturante. Le mouillage d’un liquide sur un support dépend d’une grandeur physique appelée tension de surface. Dans ce chapitre nous allons, après avoir expliqué la notion de tension de surface, faire une étude présentative du phénomène de mouillage.

Tension de surface

Pour définir la tension de surface ou énergie de surface, considérons un système hypothétique constitué d’un liquide pur remplissant une boîte parallélépipédique munie d’un couvercle coulissant. La boite étant pleine, il y a pas de vapeurs saturantes entre sa surface supérieure et le couvercle. Le matériau du couvercle est tel que la tension de surface entre le couvercle et le liquide est nulle (Figure I.1). Le travail nécessaire pour faire glisser le couvercle et augmenter l’aire de l’interface entre le liquide et sa vapeur de s’écrit : dW dA I = γ ( .1) où la constante de proportionnalité est appelée tension de surface ou tension superficielle. On constate par ailleurs, que ( ) dF  dA d dA dW γ == . a les dimensions d’une énergie par unité de surface (énergie libre) ou encore d’une force (de tension) par unité de longueur. Figure I.1 le travail pour faire glisser le couvercle et augmenter l’aire de l’interface est dA [3] On parle de tension de surface si la surface est considérée comme une surface de division sans épaisseur donc une surface mathématique.  La tension superficielle fait allusion à l’existence d’une phase superficielle. Par exemple en mettant un liquide et un gaz en contact, on peut décrire le système comme étant la somme de trois régions: un liquide homogène, un gaz homogène, et une phase interfaciale. La désignation tension interfaciale s’explique par le fait qu’elle est définie dans un domaine qui sépare deux phases donc deux surfaces. Dans le cas d’une goutte d’eau entourée de sa propre vapeur on parle de tension interfaciale LV γ (interface liquide/vapeur). Pour la surface d’un solide entourée d’une phase gazeuse la tension interfaciale est désignée par SV γ (interface solide/vapeur). L’interface solide/liquide la tension interfaciale est notée SL γ . Notons que la tension interfaciale est définie pour toute surface d’une matière condensée. Elle rend compte de l’énergie nécessaire pour créer de la surface et peut s’exprimer en J/m2. 

Origine de la tension de surface

Les phénomènes de tension de surface, également appelés phénomènes capillaires ou inter faciaux trouvent leur origine dans les forces intermoléculaires attractives qui existent dans toutes phases condensées de la matière. Une molécule loin de toute surface a de nombreuses voisines donc une forte énergie d’interaction. Par contre une molécule en surface a moins de voisines, donc moins d’énergie d’interaction (Figure I .3). Tout se p asse comme s’il avait fallu casser un certain nombre de liaisons, ce q ui revient à fournir de l’énergie au système. Donc créer une interface revient à perdre une partie de l’énergie d’interaction (négative). La tension de surface rend donc compte de l’énergie nécessaire pour créer de la surface et peut s’exprimer en J/m2. L’énergie qu’il faut apporter au système pour créer une unité de surface est la tension de surface. Les solides « durs » à l iaisons fortes (ioniques, covalentes, ou métalliques) ont de forte énergie de surface. Ce sont par exemple le verre, la silice, les oxydes métalliques. Par contre les solides à liaisons de plus basse énergie (Van der Waals, liaison hydrogènes) auront des énergies de surface plus faibles. C’est le cas des polymères ou de la paraffine. Par ailleurs il existe des facteurs qui influencent la tension de surface.

Facteurs influençant la tension de surface

De façon générale, une élévation de température entraîne une dilatation des longueurs de liaisons et diminue l’énergie de liaison intermoléculaire, donc elle abaisse la tension de surface. Mais aussi la contamination de la surface par des impuretés présentes dans 15 l’environnement peut entraîner une modification de la tension de surface en effet les impuretés entrent en interaction avec les molécules de la surface [4]. Notons aussi l’existence des substances qui ont la propriété d’abaisser la tension de surface d’un substrat appelées agents tensioactifs. 

Manifestation de la tension de surface

La tension de surface se manifeste par un saut de pression lorsque l’on traverse une interface courbée. Pour le montrer, on peut calculer la pression qu’il faut appliquer sur le piston d’une seringue pour augmenter une goutte de liquide au bout de son aiguille (Figure I.4)