Tension de surface et mouillage
Tension de surface et Mouillage
L'hydrophobie n'est pas que due à la polarité des molécules (en particulier de la molécule d'eau). Un autre facteur entre en jeu et c'est tout d'abord la tension de surface. Mais qu'est-ce que la tension de surface ou tension superficielle.
Un liquide est composé de molécules : dans notre cas, prenons l'eau. L'eau est un liquide constitué de molécules d'eau (H2O) qui intéragissent entre elles à cause de la polarité des ces dernières. Les molécules d'eau s'attirent et se repoussent. Ce sont des intéractions de cohésion.
Il y a deux grands types d'intéractions : les intéractions du type Van Den Waals et les liaisons hydrogène.
Définition : Les intéractions du type Van Den Waals sont des intéractions éléctriques de faible intensité entre deux atomes ou molécules. Elles ont différents effets comme l'effet d'induction (Debye), l'éffet d'orientation (Keesom) ou l'effet de dispersion (London).
Définition : Les liaisons hydrogènes sont des liaisons intermoléculaires impliquants un atome d'hydrogène et un atome apolaire (électronégatif). Son intensité est comprise entre une intéraction Van Den Waals et une liaison covalente.
À la surface du liquide, les intéractions sont divisées par 2 et donc les molécules perdent la moitié de leure énergie de cohésion notée Δ.
La tension superficielle est la perte d'énergie de cohésion par unité de surface :
Y = Δ / 2a² avec Y la tension superficielle (gamma), Δ l'énergie de cohésion et a² la surface moyenne occupée par une molécule avec comme unité le Newton pour l'énergie de cohésion et le mètre pour la surface moyenne occupée par une molécule.
Pour plus d'informations : http://www.boussey-control.com/tension-superficielle/tension-superficielle.htm
Pour des liquides avec des liaisons Van Der Waals comme l'huile Y = 20 mN/m
Pour des liquides avec des liaisons hydrogène comme l'eau : Y = 72.5 mN/m
Mais à quoi sert la tension superficielle ?
La tension superficielle est utile pour déterminer le comportement des liquides dans différents phénomènes comme :
- la taille des gouttes lorsqu'elles sont en contact avec un autre liquide non miscible avec ces gouttes.
Une petite vidéo pour vous montrer que la tension de surface influe sur le comportement des liquides.
Des gouttes qui s'éclatent
Pour résumer
La tension de surface est un phénomène liée aux interactions moléculaires d'un fluide. La tension de surface permet de garder un équilibre dans le système physico-chimique. Le fluide modifie sa géométrie : c'est la tension superficielle.
Mais un phénomène est lié à la tension de surface et à l'hydrophobie : c'est le mouillage aussi appelé la mouillabilité.
Qu'est-ce que le mouillage ?
Définition : Le mouillage c'est l'aptitude d'une surface à être mouillée par une matière donnée (FuturaSciences).
Entre une matière comme un liquide et une surface il y a une tension superficielle qui existe. Cette matière va essayer de s'accrocher à la surface en la mouillant. Le mouillage est très importants dans le collage par exemple. Lorsque une goutte d'eau va rentrer en contact avec un solide (surface), il va se former un angle de contact. Pour mieux comprendre l'angle de raccordement, prenons un exemple simple : une goutte sur une plaque de verre.
Pour plus d'informations sur le mouillage : https://www.espci.fr/sites/www.espci.fr/IMG/pdf/Tran-ESPCI.pdf
Clément HAUSTANT (d'après Régis JOULIÉ "Mécanique des fluides appliquée", Ed. Ellipses, Paris, 1998)
On observe sur la plaque de verre propre qu'il n'y a pas d'angle de contact, sur la plaque de verre quelconque qu'il y a un angle de contact mais inférieur à 90° et enfin sur la plaque de verre grasse l'angle de contact dépasse 90°. Cette observation a amené à la création d'une loi que l'on appelle loi de Young-Dupré : une loi créée par deux grands scientifiques.
Voici la loi : cos (angle) = TS (S/V) - TS (S/L) / TS (L/V)
où TS est la tension superficielle, S solide, L liquide, V vapeur
La loi de Young-Dupré est valable uniquement dans le cas où le solide est un solide parfait car cette loi n'est que théorique. De plus, la goutte doit être statique et doit être déposée sur un substrat solide accompagné d'une phase vapeur.
A : une goutte peu mouillante sur le solide
B : une goutte aléatoire
C : une goutte très mouillante sur le solide
S : une goutte totalement mouillante sur le solide, la goutte représente un film liquide. C'est le solide (presque) parfait
Mais quels sont les limites de cette loi sur le résultat du quotient des tensions superficielles ?
Lorsque le quotient n'est pas situé entre -1 et 1 (à cause du cosinus), il n'existe pas d'angle de contact : c'est le cas de la goutte S. C'est un mouillage total sinon c'est un mouillage partiel. Mais cette loi n'est que valable pour un solide parfait mais pour un solide imparfait ?
C'est alors qu'en 1944, deux scientifiques du nom de Cassie et Bexter créée leur loi : La loi Cassie-Bexter.
Cette loi fonctionne pour des solides composites : mais qu'est-ce qu'un solide composite ?
Définition : Un solide composite est un assemblage de d'au-moins deux composants non miscibles et dont les propriétés se complètent.
La définition de cette loi est : cos θc = cos θ1 Y1 + cos θ2 Y2 avec θ l'angle de contact sur une aire Y
Les aires ne sont pas à proprement parlé des aires mais des fractions d'aires c'est-à-dire le pourcentage du substrat sur une surface.
Y1 + Y2 = 1 et lorsque le deuxième milieu est de l'air on peut simplifier la formule :
cos θc = Y1 (cos θ1 + 1) -1
Cette loi a permis de mieux comprendre l'hydrophobie chez le canard ou chez le lotus que nous verrons plus tard.
Voici un schéma pour résumer les deux lois précédentes sur une goutte d'eau sur des surfaces rugeuses :
Pour résumer
Les différentes lois que nous vous avons présentées permettent de mieux comprendre la forme d'une goutte sur une surface rugueuse. Ces lois ont permis de comprendre l'hydrophobie au XXe siècle. Mais, quel est le lien entre l'hydrophobie et la surface rugueuse ? C'est ce que nous allons voir tout de suite dans la partie Super-hydrophobie.