Tension superficielle, capillarité et viscosité

Tension superficielle

Les différentes Fim entre les molécules identiques d’une substance sont des exemples de forces de cohésion. Les molécules à l’intérieur d’un liquide sont entourées d’autres molécules et sont attirées de la même façon dans toutes les directions par les forces de cohésion à l’intérieur du liquide. Cependant, les molécules à la surface d’un liquide ne sont attirées que par environ la moitié des molécules. En raison des attractions moléculaires déséquilibrées sur les molécules de la surface, les liquides se contractent pour donner une forme qui minimise le nombre de molécules à la surface, c’est-à-dire la forme avec la surface minimale. Une petite goutte de liquide a tendance à adopter une forme sphérique. Ceci est dû au fait que le rapport entre la surface et le volume est au minimum dans une sphère. Les gouttes plus grandes sont plus fortement impactées par la gravité, la résistance de l’air, les interactions de surface, et ainsi de suite, et elles sont donc moins sphériques.

La tension superficielle est définie comme l’énergie nécessaire pour augmenter la surface d’un liquide ou la force nécessaire pour augmenter la longueur d’une surface liquide d’une quantité donnée. Cette propriété est le résultat des forces de cohésion entre les molécules à la surface d’un liquide et à cause d’elle, la surface d’un liquide se comporte comme une membrane en caoutchouc étirée. Parmi les liquides courants, l’eau présente une tension superficielle nettement élevée en raison des liaisons hydrogène fortes entre ses molécules. En raison de cette tension superficielle élevée, la surface de l’eau représente une “ peau relativement dure ” qui peut résister à une force considérable sans se rompre. Une aiguille en acier soigneusement placée sur l’eau flottera. Certains insectes, même s’ils sont plus denses que l’eau, se déplacent sur sa surface parce qu’ils sont soutenus par la tension superficielle.

Forces d’adhésion et de cohésion

Les Fim d’attraction entre deux molécules différentes sont appelés des forces d’adhésion. Voyons ce qui se passe lorsque l’eau entre en contact avec une certaine surface. Si les forces d’adhésion entre les molécules d’eau et les molécules de la surface sont faibles par rapport aux forces de cohésion entre les molécules d’eau, l’eau ne “ mouille ” pas la surface. Par exemple, l’eau ne mouille pas les surfaces cirées ou de nombreux plastiques comme le polyéthylène. Des gouttelettes d’eau se forment sur ces surfaces car les forces de cohésion à l’intérieur des gouttes sont supérieures aux forces d’adhésion entre l’eau et le plastique. L’eau se répand sur le verre parce que la force d’adhésion entre l’eau et le verre est supérieure aux forces de cohésion dans l’eau. Lorsque l’eau est confinée dans un tube de verre, son ménisque (surface) a une forme concave parce que l’eau mouille le verre et grimpe sur le côté du tube. D’autre part, les forces de cohésion entre les atomes de mercure sont beaucoup plus grandes que les forces d’adhésion entre le mercure et le verre. Le mercure, par conséquent, ne mouille pas le verre, et il forme un ménisque convexe lorsqu’il est confiné dans un tube parce que les forces de cohésion à l’intérieur du mercure tendent à le tirer dans une goutte.

Action capillaire

Si l’extrémité d’une serviette en papier est placée dans du vin renversé, le liquide absorbé monte dans la serviette en papier. Un processus similaire se produit dans une serviette en tissu lorsque vous l’utilisez pour vous sécher après une douche. Il s’agit d’exemples d’action capillaire, lorsqu’un liquide s’écoule dans un matériau poreux en raison de l’attraction entre les molécules liquides et la surface du matériau et d’autres molécules liquides. Les forces d’adhésion entre le liquide et le matériau poreux, combinées aux forces de cohésion à l’intérieur du liquide, peuvent être suffisamment fortes pour déplacer le liquide vers le haut contre la gravité.

Les serviettes absorbent des liquides comme l’eau parce que les fibres d’une serviette sont faites de molécules qui sont attirées par les molécules d’eau. La plupart des serviettes en tissu sont faites de coton, et les serviettes en papier sont généralement faites de pâte à papier. Les deux sont constitués de longues molécules de cellulose qui contiennent de nombreux groupes −OH. Les molécules d’eau sont attirées par ces groupes −OH et elles forment des liaisons hydrogène avec eux, ce qui tire les molécules d’H2O vers le haut des molécules de cellulose. Les molécules d’eau s’attirent également entre elles, et de grandes quantités d’eau sont donc aspirées par les fibres de cellulose.

L’action capillaire peut également se produire lorsque l’extrémité d’un tube de petit diamètre est immergée dans un liquide. Si les molécules liquides sont fortement attirées par les molécules du tube, le liquide grimpe sur l’intérieur du tube jusqu’à ce que le poids du liquide et les forces d’adhésion soient équilibrés. Plus le diamètre du tube est petit, plus le liquide monte haut.

Viscosité

Lorsque vous versez un verre d’eau ou remplissez une voiture d’essence, l’eau et l’essence coulent librement. Mais lorsque vous versez du sirop sur des crêpes ou ajoutez de l’huile à un moteur de voiture, le sirop et l’huile du moteur ne s’écoulent pas aussi facilement. La viscosité d’un liquide est une mesure de sa résistance à l’écoulement. L’eau, l’essence et d’autres liquides qui coulent librement ont une viscosité faible. Le miel, le sirop, l’huile de moteur et les autres liquides qui ne s’écoulent pas librement ont des viscosités plus élevées. Nous pouvons mesurer la viscosité en mesurant la vitesse à laquelle une bille de métal tombe à travers un liquide (la bille tombe plus lentement à travers un liquide plus visqueux) ou en mesurant la vitesse à laquelle un liquide s’écoule à travers un tube étroit (les liquides plus visqueux coulent plus lentement).

Les Fim entre les molécules d’un liquide, la taille et la forme des molécules ainsi que la température déterminent la facilité avec laquelle un liquide s’écoule. Plus la molécule est structurellement complexe, plus les Fim entre elles sont fortes et plus il est difficile pour elles de se déplacer les unes au-delà des autres. Les liquides avec ces molécules sont plus visqueux. À mesure que la température augmente, les molécules se déplacent plus rapidement et leurs énergies cinétiques peuvent mieux surmonter les forces qui les maintiennent ensemble ; ainsi, la viscosité du liquide diminue.

Ce texte est adapté de Openstax, Chimie 2e, Section 10.2 : Propriétés des liquides.