2009

Résumé
Dans cette expérience, nous avons tout d’abord mesuré la tension de surface de
différents solvants, de l’eau distillée et du toluène grâce à deux méthodes : Noüy
ring et Wilhemly plate. Puis, la tension interfacialle entre deux liquides différents a
été déterminée. Nos valeurs obtenues sont proches des valeurs théoriques.
Finalement, nous avons déterminé l’angle de contact entre différents solides et
liquides.
Introduction
•
La première partie de cette expérience consiste à déterminer la tension de
surface de différents liquides (air-liquide) et la tension interfacialle entre l’eau
et le toluène (liquide-liquide) ainsi que l’influence de molécule (SDS) ou d’ion
(NaCl) sur la tension de surface à différentes concentrations.
Deux méthodes ont été utilisées pour calculer la tension de surface:
Noüy ring : cette méthode consiste à immerger un cercle de platine dans un
liquide et lorsque le cercle remonte il forme une lamella avec le liquide.
gΔm=4γRπ
g = constante gravitationnelle [N/kg]
∆m = différence de masse du cercle [kg]
γ = tension de surface [N/m]
R = rayon du cercle[m]
1
La tension interfacialle entre 2 liquides se mesure
Rayleigh :
par la relation de Lord
γ ab =γ a γ b −2  γ a γ b
Wilhelmy plate : cette méthodes consiste à immerger un plateau rectangulaire
dans un liquide et le plateau remonte verticalement jusqu’à se qu’il se détache
de la surface.
gΔm=2γl
g = constante gravitationnelle [N/kg]
∆m = différence de masse du plateau [kg]
γ = tension de surface [N/m]
l = largeur du plateau [m]
Lorsque des molécules ou des ions sont introduits dans un liquide, ils
s’accumulent à la
surface ce qui diminue la tension de surface. La quantité
d’espèces absorbée est estimée avec la relation de Gibbs:
Γ =−
 
1
∂γ
RT ∂ ln c
2
T
R = constante des gaz parfait [kg*m2 / s2*mol*K]
T = température absolue [K]
c = concentration [mol/L]
γ = tension de surface [N/m]
•
La deuxième partie consiste à calculer l’angle de contact entre différentes
surfaces de solides et liquides à l’aide de ces deux relations :
θ < 90° : θ = 90° - arccos s/ 2R
θ > 90° : θ = 90° + arccos s / 2R
θ = angle de contact
2R = diamètre du cercle
s = longueur d’interaction entre la goutte et la surface du solide
Méthodologie
Dans cette expérience, nous avons déterminé les tensions de surface de l’eau
« pur » et du toluène en utilisant 2 méthodes : L’anneau de Noüy et la plaque de
Wilhelmy. Pour ce faire, le matériel utilisé doit être strictement nettoyer pour ne pas
changer la surface du solvant pris en considération.
La marche à suivre est simple :
3
Tout d’abord, on approche l’anneau (ou la plaque) très près de la surface puis on
tare. L’anneau est ensuite plongé dans le solvant à température ambiante.
L’appareil va alors remonter tranquillement l’anneau afin de le retirer du solvant en
laissant apparaître une « lamella » qu’il faut faire attention de ne pas briser. La
manipulation est répétée 3 fois pour chacune des 2 méthodes.
Nous avons ensuite déterminé la tension interfaciale (tension entre 2 liquides) à
l’aide de la méthode Noüy ring entre l’eau et le toluène. La manipulation est répétée
2 fois.
La marche à suivre est simple :
L’anneau est d’abord immergé dans le toluène puis dans l’eau. On ajoute ensuite le
toluène par palier de 1 ml. L’anneau doit être à l’interface des deux solvants pour
une mesure fiable (Δρ = 0,131). On ajoute assez de toluène pour ne pas briser la
« lamella ».
Nous avons ensuite mesuré la tension de surface de différentes solutions de SDS* à
l’aide de la méthode de Wilhelmy.
*Préparation des solutions de SDS :
Concentratio
n de SDS
[mM]
50 ml
2
3
4
5
6
7
8
compléte
r jusqu'au
trait de
jauge
avec de
l'eau pur
9
10
12
4
Concentrati
on de SDS
[mM]
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
1
2
4
50 ml
ajouter
une
solution
de 0.2 M
de NaCl
puis
compléte
r
jusqu'au
trait de
jauge
avec de
l'eau pur
Nous avons finalement déterminé l’angle de surface entre un solide et un liquide.
Pour ce faire, nous avons pris 4 solides différents et 3 solvants différents :
-
Silicone
Téflon
Graphite
Verre
-
Eau
Perfluorodécaline
Hexadécane
La marche à suivre est simple :
Sur une surface solide, une goutte de 10 μl est déposé. L’appareil mesure l’angle de
contact grâce à une caméra vidéo. L’angle est obtenu par une simple relation
trigonométrique. La manipulation est répétée 3 fois pour chaque ensemble solideliquide.
Puis la mesure est à nouveau réalisé pour l’or avec 4 solvants différents :
-
Eau
Undécane
Octane
Hexadécane
Résultats
5
Tension de surface de l’eau et du toluène:
La mesure des tensions de surface entre air et le toluène est de 63.7 mN/m avec la
méthode de la plaque avec un écart type de 1.5 mN/m et de 71.13 mN/m avec
l’anneau de Noüy avec un écart type de 0.06 mN/m.
La valeur théorique est de 72.75 mN/m donc les valeurs expérimentales sont bonnes
mais on peut voir que pour l’anneau les résultats sont meilleurs.
L’erreur relative pour la plaque est de 14% et pour l’anneau de 2.3%.
La mesure de γ entre air et le toluène, est de 28.47mN/m avec un écart type de
0.05 mN/m avec la plaque.
Avec l’anneau γ = 28mN/m avec une déviation standard de 0.
On peut remarquer que la tension de surface de l’eau est plus grande à cause des
nombreuses liaisons hydrogènes.
La tension interfaciale entre l’eau et le toluène est de 35mN/m avec la méthode de
Noüy avec une déviation standard de 0.
Avec l’approximation de Rayleigh, on trouve que la tension interfaciale devrait être
de 9.87 mN/m. Cette valeur est loin de la valeur expérimentale car notre solution ne
se comporte pas comme une solution idéale.
Calcul du volume absorbé et de la CMC :

1

(
)T
RT ﾶ ln C
On trouve pour l’eau Γ = 4.8 nm-2 et l’aire par molécule = 1/(Na* Γ) = 3.46*10-25 nm2
Et pour l’eau salée, Γ = 4.18 mm-2 et l’aire par molécule = 1/(Na* Γ) = 3.97*10-25
nm2
6
Eau
48
46
tension
44
a
b
42
40
a
b
38
=32.088 ± 5.4
=2.2118 ± 2.38
=58.199 ± 1.85
=-11.975 ± 1.25
36
34
1.0
1.5
ln(c)
Eau+NaCl
48
46
a =31.521 ± 0.497
b =-10.38 ± 0.584
44
tension
2.0
42
40
38
a
b
36
34
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
lnc
=32.85 ± 0.112
=-0.072135 ± 0.125
0.5
1.0
Et pour CMC, il faut chercher l’intersection des deux courbes :
CMC (eau) = 5.99 mM
CMC (eau salée) = 0.819mM
Le CMC est la concentration à partir de laquelle la surface est saturée en SDS. Audelà de cette concentration, la tension de surface n’évolue plus.
7
On peut remarquer qu’avec la présence NaCl, la valeur de CMC diminue ceci est dû
au fait que les ions de sel accumulé ont diminué la surface disponible pour le SDS.
Angle de contact :
Dans le téflon (-CF2-CF2-) et le graphite les molécules sont liés essentiellement par
des force physiques (Van de Waal ou des liaisons hydrogènes). Tandis que pour le
verre (SiO2) et le silicone (-Si-O-Si-O-), les molécules sont liés par liaison covalente.
La différence entre le verre et le silicone est la disposition spatiale des atomes de
silice et d’oxygène.
Eau
silicon
teflon
verre
graphite
θ1
67.6
70.5
46
62
θ2
61
66
45.3
68
θ3
61
66
40
68
Moyenn
e
63.2
67.5
43.8
66
On peut voir que pour l’eau, le silicone, le téflon et le graphite sont moins mouillants
(plus hydrophobe) que le verre. Visuellement on a pu aussi voir que pour le verre la
goutte s’étale plus.
Cela s’explique par le fait que l’eau fait des liaisons hydrogènes avec le verre (SiO2).
Pour le téflon et le graphite l’angle est grand car l’énergie libre est grande car l’eau
veut minimiser l’interaction avec le support.
8
Hexadecane
silicon
teflon
verre
graphite
θ1
22
25
0
0
θ2
20
31
0
0
θ3
23
28
0
0
Moyenn
e
21.7
28
0
0
Hexadecane est une chaîne alcane, donc il y a les mêmes interactions entre le
graphite l’hexadecane. On peut voir que l’angle de contact est bien zéro donc le
graphite est complètement mouillant avec l’hexadecane.
L’angle avec le téflon et la silicone est plus petit qu’avec l’eau.
L’angle de contact est nul avec le verre.
Perfluorodecaline
silicon
teflon
verre
graphite
θ1
29
0
0
0
θ2
23
0
0
0
θ3
22
0
0
0
Moyenn
e
24.7
0
0
0
9
Les angles de contact sont de zéro pour le téflon, le verre et le graphite et avec la
silicone l’angle est faible.
Or
θ
eau
hexadecane
undecane
octan
e
103
37
29
23
On remarque que l’angle de contact avec l’eau est supérieur à 90° donc on peut
considérer que la surface est hydrophobe.
10
Zisman plot :
0.8
a
b
cos ø
0.6
=3.7747e+008 ± 4.9e+008
=-2.1821e+009 ± 1.17e+010
0.4
0.2
0.0
-0.2
30
40
50
gamma N/m
60
70x10
-3
Grâce au graphique on trouve que l’énergie critique interfacial est de 0.018845N/m
soit 18.84mN/m.
Conclusion
Cette expérience nous a permis de découvrir les méthodes de « Noüy ring » et de
« Wilhelmy plate ». Grâce à ces deux méthode, nous avons pu faire la détermination
de tension superficielle et de tension interfaciale. Nous en avons ensuite conclu que
la première méthode était plus précise bien que plus délicate à réaliser.
Nous avons aussi mesuré l’angle de contact entre différents solides et différents
liquide. Ceci nous a montré l’adhérence de certains liquide sur divers surface.
Annexes
[1] M. Borkovec. Lab journal of analytical chemistry II : surface analysis by surface
tension measurements, 2008.
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