Dans une molécule, il y a parfois l'apparition de dipôles électrostatiques. C'est le cas lorsque les deux atomes d'une liaison ont des électronégativités différentes. En effet, les électrons de la liaison covalente vont être plus attirés vers un des deux atomes, lui conférant ainsi une charge plutôt négative. On parle de la déformation du nuage électronique.
Schéma des nuages électroniques de deux liaisons différentes
De cette répartition inégale des électrons et des charges autour d'une liaison covalente va naître un moment dipolaire; c'est-à-dire un vecteur, caractéristique d'une liaison, allant du pôle négatif vers le pôle positif.
Schéma du moment dipolaire associé à la liaison OH
Pour savoir si une molécule est polaire ou non, il faut faire la somme de tous les moments dipolaires des liaisons. S'ils se compensent, on dit que la molécule est apolaire. Au contraire, s'ils ne se compensent pas on dit que la molécule est polaire. Les charges électriques ne sont donc pas réparties équitablement à l'intérieur de la molécule.
Schéma des moments dipolaires dans deux molécules : une polaire et une apolaire
L'eau, par exemple, est un solvant polaire. Les molécules polaires sont donc, pour la plupart, solubles dans l’eau, contrairement aux molécules apolaires qui ne le sont pas.
On remarque que si l’on place délicatement un trombone sur la surface de l’eau il arrive à flotter alors qu’il est plus dense que l’eau. Cela met en évidence le fait que les forces s’exerçant à la surface de l’eau ne sont pas exactement les mêmes que les forces à l’intérieur du liquide. Nous avons ensuite rajouté un autre trombone, après l’avoir préalablement trempé dans du liquide vaisselle. Lorsqu’on le pose à la surface de l’eau il coule immédiatement, et fait tomber en même temps l’autre trombone qui flottait.
Au contraire, si nous rajoutons à la surface un trombone normal, qui n’a pas été trempé dans le liquide vaisselle, il va lui aussi flotter à la surface et ne fera pas couler le premier.
La chute des trombones est donc dûe au liquide vaisselle. Mais pourquoi le liquide vaisselle fait-il chuter les trombones ? Pour répondre à cela il faut tout d’abord s’intéresser à ce qu'est la tension superficielle et comment elle fonctionne.
La tension superficielle est la tension existante à la surface de séparation entre deux milieux. Elle peut varier et dépend des matériaux qui sont en contact. Elle explique le fait que la surface d’un liquide est comme une membrane tendue, élastique, avec des propriétés différentes du reste du liquide. C’est pour cela que le trombone, même plus dense que l’eau, peut flotter à sa surface.
Ces forces expliquent aussi par exemple la forme des gouttes, l'eau qui monte dans un tube capillaire, la goutte qui pend au robinet, les ménisques convexes au dessus d'un verre ou concave dans un tube à essai, ou encore les insectes qui parviennent à marcher sur l'eau comme le gerris.
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La tension superficielle
Nous avons mis en évidence la tension superficielle (aussi appelée tension de surface) grâce à l’expérience suivante :
Schéma des forces inter-moléculaires à l’intérieur du liquide et à sa surface
http://physique.unice.fr/sem6/2010-2011/PagesWeb/tensioactifs/intro/effets/effets.html
Nous avons donc compris que le trombone flotte sur l’eau grâce à la tension de surface, et nous avons compris comment elle fonctionnait. Mais alors pourquoi le liquide vaisselle change-t-il cela ?
Le liquide vaisselle est un agent tensioactif, c’est-à-dire qu’il est composé de molécules ayant deux parties de polarités différentes. Chaque molécule possède ainsi une partie hydrophobe et une partie hydrophile. Ces types de molécules sont appelées amphiphiles.
Schéma d’un tensioactif
Cela explique pourquoi elles vont se positionner à la surface du liquide : afin que leur partie hydrophile soit dans l’eau, et que leur partie hydrophobe en émerge. Cela a pour effet de diminuer la tension superficielle de l’eau car ils dérangent la structure de l’eau. C’est donc pour cette raison qu’après ajout de liquide vaisselle, les trombones ne peuvent plus flotter à la surface.
Schéma de tensioactifs positionnés à la surface de l’eau
Tension superficielle et forme des gouttes :
Ainsi, la tension superficielle peut exister entre plusieurs interfaces, comme par exemple entre deux liquides non miscibles, ou encore entre un liquide et un gaz, ou un liquide et un solide. Mais l’interface qui nous intéresse particulièrement ici est l’interface créée lorsque l’on pose une goutte sur un solide. Cette interface est une interface particulière, dite triple, car en effet il y a un contact solide/liquide/vapeur. Le comportement d’un liquide sur un solide, régi par la tension superficielle, est appelé le mouillage. Il peut être total, partiel, ou nul (on parle alors de caléfaction). Lorsqu’il est partiel, le liquide forme une goutte. En effet, elle va naturellement vers la configuration nécessitant le moins d'énergie. La forme sphérique étant la plus petite forme de surface possible, les gouttes ont tendance à l'adopter. Selon le matériau sur lequel elle est posée, la goutte adopte une forme plus ou moins sphérique.
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L’angle formé entre cette goutte et la solide est appelé angle de contact, et il permet, entre autres, de décrire si un matériau est hydrophobe ou non.
L’angle de contact
L’angle de contact est l’angle formé par la surface du solide avec la tangente passant sur le bord de la goutte. Cet angle de contact est donné par la loi de Young Dupré ci-dessous :
La tension superficielle est dûe aux interactions intermoléculaires à l’intérieur du liquide. Les molécules d’un liquide s’attirent entre elles, et ces forces se compensent à l’intérieur du liquide. Cependant, les molécules à la surface du liquide, elles, ne peuvent interagir qu’avec un nombre limité de molécules car elles sont en partie en contact avec un autre milieu (ici l’air). Les molécules à la surface sont donc plus fortement attirées vers l’intérieur. Les forces à la surface du liquide, n’étant pas équilibrées, confèrent à la surface des propriétés différentes qui sont à l’origine de la tension de surface.
Hydrophobie : du grec hydro = eau et phobie = peur. Une surface hydrophobe est une surface qui repousse l’eau. L’hydrophobie est une propriété d’une molécule qui ne se dissout pas dans l’eau et qui est apolaire.
La Polarité
Lois physiques
Schéma d’une goutte avec une interface triple (liquide/solide/vapeur)
http://www.astrosurf.com/luxorion/miroir-specifications-verres3.htm
Ainsi, plus l’angle de contact est grand plus l’interaction entre les matières au niveau de la surface de contact est faible.
Si θ < 90° alors le matériau est dit hydrophile (« qui aime l’eau »)
Si 90° < θ < 150° alors le matériau est dit hydrophobe
Si 150 < θ < 180° alors le matériau est dit superhydrophobe.
Lorsque l’angle de contact est égal à 180°, le mouillage de la surface est nul. On parle de caléfaction (formation d’une couche de vapeur entre le matériau chaud et la goutte, empêchant cette dernière d’être en contact avec le matériau).
Donc plus l’angle est grand, plus le mouillage est faible et moins le liquide adhère sur le matériau.
La loi de Young-Dupré a cependant des limites : elle ne prend pas en compte la rugosité du matériau. Pour la prendre en compte, il y a deux modèles différents :
- modèle de Wenzel (état empalé)
- modèle de Cassie Baxter (état fakir)
Le modèle de Wenzel suppose que la goutte épouse parfaitement la rugosité du matériau (état empalé).
Ce modèle prévoit que la rugosité renforce l’hydrophobie d’un matériau. Cependant, pour les matériaux hydrophobes, de l’air reste bloqué entre le solide et le liquide. C’est alors la loi de Cassie-Baxter qui est la plus pertinente.
Prise en compte de la rugosité du matériau :
Le modèle de Cassie-Baxter, lui, suppose qu’une goutte déposée sur un matériau rugueux n’épouse pas la rugosité de la surface mais repose sur le haut des aspérités (état fakir). Il y a donc de l’air qui reste piégé entre la goutte et la surface du solide.
Là encore, dans le cas d’un matériau hydrophobe, sa rugosité augmente l’angle de contact de la goutte sur la surface.
La goutte est ici positionnée entre les aspérités du matériau et l’air piégé entre.
Modèle de Wenzel :
Modèle de Cassie-Baxter :
Schémas de différents angles de contact en fonction du support
Réalisé par nos soins
Schéma du modèle de Cassie-Baxter (état fakir) pour décrire une goutte posée sur un matériau rugueux.
Schéma du modèle de Wenzel (état empalé) pour décrire une goutte posée sur un matériau rugueux.
Vidéo que nous avons réalisée, mettant en évidence la tension superficielle
Elle est aussi disponible sur YouTube au lien suivant : https://youtu.be/NchZR5hu5-Y
Ménisque concave dans un tube à essai
http://culturesciences.chimie.ens.fr/print/919?print=yes&nid=919
Photo d'un gerris marchant sur l'eau