Tension interfaciale: définition, équation, unités et mesure
La tension interfaciale (γ) est la force nette par unité de longueur qui s'exerce sur la surface de contact entre une phase (solide ou liquide) et une autre (solide, liquide ou gazeuse). La force nette est verticale à la surface de contact et est dirigée vers l'intérieur des phases.
Lorsque l'une des phases est un gaz, on parle généralement de tension superficielle . Les phases en contact sont non miscibles, c'est-à-dire qu'elles ne peuvent pas être dissoutes ensemble pour former une solution. La région de contact entre les phases est une surface de séparation géométrique appelée interface . La tension interfaciale est due aux forces intermoléculaires présentes dans l'interface.
La tension interfaciale joue un rôle important dans de nombreux phénomènes et processus interfaciaux, tels que la production d'émulsions et la production de pétrole.
La définition
Les propriétés de l'interface ne sont pas les mêmes que celles des phases en contact, car différentes interactions moléculaires se manifestent car dans cette région se trouvent des molécules qui appartiennent à une phase ou à une autre.
Les molécules à l'intérieur d'une phase interagissent avec des molécules voisines, qui ont des propriétés similaires. Par conséquent, la force interne nette est nulle car les interactions attractives et répulsives sont les mêmes dans toutes les directions possibles.
Les molécules qui se trouvent à la surface entre les deux phases sont entourées de molécules de même phase mais également de molécules voisines de l'autre phase.
Dans ce cas, la force nette n'est pas nulle et est dirigée vers l'intérieur de la phase dans laquelle il y a une interaction plus grande. Le résultat est que l'état d'énergie des molécules à la surface est supérieur à l'état d'énergie dans la phase.
La force nette agissant vers l'intérieur par unité de longueur le long de l'interface est la tension interfaciale. En raison de cette force, les molécules ont tendance spontanément à minimiser l'énergie en minimisant la surface spécifique de chaque unité de volume.
Définition basée sur le travail et l'énergie
Pour attirer une molécule de l'intérieur vers la surface, il est nécessaire que les forces agissant sur la molécule dépassent la force nette. En d'autres termes, un travail est nécessaire pour augmenter la surface interfaciale.
Plus la force nette intermoléculaire est importante, plus le travail à effectuer et l’apport d’énergie sont importants. Pour cette raison, la tension interfaciale est également définie en fonction du travail ou de l'énergie, comme indiqué ci-dessous:
La tension interfaciale est le travail nécessaire pour créer une unité de surface à l'interface. De même, la tension interfaciale est définie comme l'énergie libre requise par unité de surface créée.
Unités d'équation et de tension interfaciale
L'équation de la tension interfaciale en fonction de la force nette intermoléculaire est la suivante:
γ = F / 2l [1]
F = force nette
l = longueur de l'interface
Le nombre 2 qui apparaît dans l'équation [1] signifie qu'il existe deux surfaces, une pour chaque face de l'interface.
La tension interfaciale en fonction du travail requis pour générer une unité de surface est exprimée par l'équation suivante:
γ = W / ΔA [2]
W = travail
ΔA = augmentation de la surface
La création de la zone interfaciale s'accompagne d'une augmentation de la formation d'énergie libre.
γ = ΔE / ΔA [3]
ΔE = énergie de formation d'interface
Les unités de tension interfaciales dans le système international sont N / m ou Joules / m2. Dinas / cm ou mN / m est également couramment utilisé.
Dépendance à la température
L'un des principaux facteurs qui affectent la tension interfaciale est la température. Lorsque la température augmente, les forces d'interaction diminuent, ce qui entraîne une diminution de la force nette qui contracte la surface, ce qui entraîne une diminution de la tension interfaciale.
Si la température continue d'augmenter, il arrivera un moment où la tension interfaciale sera annulée et il n'y aura plus de séparation entre les phases. La température à laquelle la tension interfaciale est annulée est appelée température critique ( t c ) .
La diminution de la tension interfaciale s'explique par le fait que l'augmentation de la température augmente l'énergie cinétique due à l'augmentation du mouvement thermique des molécules.
Mesure de tension interfaciale
Il existe différentes méthodes de mesure expérimentale de la tension interfaciale, parmi lesquelles vous pouvez choisir la plus appropriée en fonction des propriétés caractéristiques des phases en contact et des conditions expérimentales.
Parmi ces méthodes, on citera la méthode de la plaque de Wilhelmy, la méthode de l’anneau de Du Nouy, la méthode de la goutte et la méthode de la rotation.
Méthode de la plaque Wilhelmy
Elle consiste à mesurer la force exercée vers le bas par la surface d’une phase liquide sur une plaque d’aluminium ou de verre. La force nette exercée sur la plaque est égale au poids plus la force de tension. Le poids de la plaque est obtenu au moyen d'une microbalance sensible à la torsion fixée à la plaque au moyen d'un dispositif.
Méthode de bague Du Nouy
Dans cette méthode, la force est mesurée pour séparer la surface d'un anneau métallique de la surface d'un liquide, en s'assurant qu'avant de mesurer, l'anneau est complètement immergé dans le liquide. La force de séparation est égale à la tension interfaciale et est mesurée à l'aide d'une balance de haute précision.
Méthode de largage en attente
Cette méthode est basée sur la mesure de la déformation d'une goutte suspendue à un capillaire. La goutte reste en équilibre pendant la suspension car la force de tension est égale au poids de la goutte.
L'allongement de la goutte est proportionnel au poids de la goutte. La méthode est basée sur la détermination de la longueur d'allongement de la goutte due à son poids.
Méthode de rotation
La méthode de la goutte rotative est très utile pour mesurer des tensions interfaciales très basses s’appliquant au processus de production d’émulsions et de microémulsions.
Il consiste à placer une goutte d'un liquide moins dense dans un tube capillaire rempli d'un autre liquide. La goutte est soumise à une force centrifuge due à un mouvement de rotation très rapide qui allonge la goutte sur l'arbre et s'oppose à la force de traction.
La tension interfaciale est obtenue à partir des dimensions de la forme géométrique de la goutte, en cours de déformation, et de la vitesse de rotation.
