Chapitre 3: PHENOMENES DE SURFACES - E

Chapitre 3: PHENOMENES DE SURFACES
( INTERFACE LIQUIDE-GAZ, LIQUIDE-LIQUIDE )
3.I- INTRODUCTION:
Les surfaces qui sont à considérer dans l’organisme sont essentiellement les
surfaces cellulaires et les interfaces inter-cellulaires, car c’est à travers elles que s’effectuent
les échanges nécessaires au métabolisme et qui sont le siège d’une intense activité
moléculaire.
La structure et le fonctionnement des membranes qui constituent ces interfaces constituent
un des problèmes les plus étudiés et les plus difficiles de la biologie moderne.
Ces considérations justifient l’introduction des concepts fondamentaux de la physique des
surfaces, le plus important de ces concepts est celui de énergie de surface, elle même
conséquence directe de l’existence des forces de liaisons intermoléculaires.
Tout les phénomènes superficielles en phase solide ou liquide sont une conséquence directe
des forces de cohésion inter-atomiques ou inter-moléculaires.
L’expérience montre que la surface d’un liquide tend toujours à prendre la forme sphérique
pour occuper le minimum de surface.
3.2- INTERFACE LIQUIDE-GAZ.
Considérons une molécule (A) dans un liquide en profondeur (à une distance
supérieure à 10 A°). Si on considère une sphère autour de cette molécule dans un rayon de
10-7 cm (rayon efficace), cette molécule est entourée de tous les cotés par d’autres
molécules. La résultante des forces agissantes sur celle-ci est en moyenne nulle ( Σ F = 0 ).
Soit maintenant une molécule superficielle (B)
L’attraction des molécules gazeuses étant
Gaz
négligeable, cette molécule est attirée vers
la profondeur perpendiculairement à la
surface par les molécules voisine du liquide
B
comme conséquence, toutes les molécules
Liquide
superficielles forment une pellicule tendue
ΣF
qui comprime l’intérieur du liquide.
Pour amener la molécule (A) à la surface
A
c’est à dire augmenter la surface, il est
ΣF = 0
nécessaire de fournir un travail (ce travail est
égale à la moitié de l’énergie nécessaire pour
faire passer une molécule de la phase liquide
à la phase gazeuse.
Donc toute augmentation de la surface ( δS ), nécessite une dépense d’énergie (δ W ):
δW≡δS
⇒
δ W = σ .δ S
Le coefficient de proportionnalité ( σ ) toujours positif, est appelé coefficient de tension
superficielle.
δW
σ=
[J]
=
δS
2
[m ]
[ erg ]
en (S.I) & σ =
2
en (C.G.S.)
[cm ]
Une autre définition est souvent utilisée, elle consiste à représenter ( σ ) comme une force
tangente à la surface:
Soit une surface rectangulaire d’un liquide
(celle-ci est obtenue en tirant un cadre
métallique de l’eau savonneuse), (Fig.)
Soit [ CD ] de longueur ( L ) mobile,
en appliquant une force (F) dans le sens
indiqué, ce dernier se déplace d’une
distance ( δ X ) ce qui augmente la surface
du liquide de (δ S ).
C
F
A
L
D
B
δX
δ S = L . δ X.
F
δ W = σ. δ S ⇒ F. δ X = σ. δ S ⇒ F . δ X = σ. L .δ X⇒ F = σ. L ⇒ σ =
L
le coefficient de tension superficielle aura pour unité [N/m] en (S.I) et [dyn/cm ] de (C.G.S).
A- VALEURS DES TENSIONS SUPERFICIELLES DE QUELQUES LIQUIDES
Parmi les liquides, l’eau possède la tension superficielle la plus élevée, ceci est due à
l’importance de ses liaisons intermoléculaires caractérisées par la polarité de cette molécule.
Généralement, les liquides polaires ont les tensions superficielles les plus importantes.
A la température ordinaire, (20°C):
- H2 O........................72,8 dyn / cm
- Glycerine.................63
- Glycol......................96
-Benzène..................28,5
- Alcools Gras...........29
Les métaux fondus ont des tensions superficielles de l’ordre de 500 dyn / cm.
B- ENERGIE DE COHESION:
C’est énergie qu’il faut dépenser pour
rompre une colonne liquide de 1 cm2 de section.
Cette rupture fait apparaître 2 cm2 de surfaces
crées par la rupture
L ’énergie de cohésion vaut donc ( 2 . σ )
nouvelles Surface
3.3- PRESSION CAPILLAIRE ET RELATION DE LAPLACE:
L’application de la relation de Laplace est considérée sur la forme sphérique pour sa
simplicité du point de vue mathématique.
Soit une interface Liquide-Gaz, caractérisée par
une gouttelette d’un liquide de forme sphérique
M
de contre (O) et de rayon (r).
Soit un cercle en surface de centre (M), de rayon (r0)
et de surface (ds).Tout élément appartenant au périmètre
du cercle est le siège d’une infinité de forces tangentielles (df).
L’axe (OM) est un axe de symétrie des moments des forces (df).
dF = ∫ df sinα = ∫ σ.dL sinα
dF = σ .2π.r0. sinα.
sinα = r0 / r
dF = σ .2π.r02 / r
O
r
dF = 2.σ. ds / r
α
r0
dF / ds = 2.σ / r
df.sinα
∆P = 2.σ / r
df
En conséquence une différence de pression s’exerce entre l’intérieur et extérieur de la
gouttelette du liquide de forme sphérique et égale à (2.σ / r ). ⇒ Pi - Pe = 2.σ / r
Cette loi de Laplace peut-être généralisée aux autres formes géométrique. Chaque
forme est caractérisée par deux dimensions principaux.
La pression vers l’intérieur est donnée par la loi de Laplace généralisée:
dF
1
= σ
ds
1
+
r1
r2
1- Pour une surface plane
( r1 = r2 = ∞ )
2- Pour une forme sphérique ( r1 = r2 = r )
2- Pour une forme cylindrique ( r1 = r ; r2 = ∞ )
⇒
⇒
⇒
∆P = 0
∆P = 2.σ / r
∆P = σ / r
3.4- INTERFACE LIQUIDE-LIQUIDE:
La définition de l’énergie de surface dans le cas des interfaces liquide-gaz, reste
valable dans le cas de l’interface liquide-liquide.
Expérience montre que une énergie de surface pour les interfaces tendent à avoir l’aire
minimale.
Une interface d’aire ( ∆S ) possède une énergie [ ∆E = σAB . ∆S ]. Cette tension inter faciale
est d’autant plus grande que les deux liquides sont moins miscibles, c.à.d. que les liaisons
intermoléculaires entre les deux liquides sont moins fortes.
Le cas de (σAB = 0 ) correspond à la miscibilité totale.
A- ENERGIE D’ADHESION DE DEUX LIQUIDES:
C’est l’énergie qu’il faut fournir pour séparer deux liquides sur une surface de 1 cm2 .
Le travail d’adhésion est équivaut à :
WAB = σA + σB - σAB ⇒ Wad = σA + σB - σAB
Cette même relation reste valable dans le cas du travail de cohésion d’un liquide pur,
car il représente le travail de ce liquide avec lui même.
WAA = σA + σA - 0 ⇒ Wc = 2.σA = 2.σL
B- TENSION SUPERFICIELLE DES SOLUTIONS:
soit une solution dont les molécules du solvant (A) et celles du soluté (B), deux cas
sont a envisager:
1- les forces d’interaction moléculaires entre les molécules du solvant [ FA↔A ] sont
supérieures aux forces d’interaction moléculaire entre les molécules du solvant du type (A) et
celles du soluté de type (B) [ FA↔B ]. Les molécules du solvant étant majoritaires en solution
ce qui conduit à l’établissement d’un équilibre de l’agitation thermique avec des molécule du
solvant en profondeur et celles du soluté en surface. (Fig. 1). Une différence de
concentration apparaît alors entre la profondeur et la surface de la solution qu’on appelle
l’adsorption. L’adsorption est dite positive lorsque la concentration en surface est supérieure
à la concentration en profondeur. Dans le cas contraire, l’adsorption est dite négative.
Dans le cas contraire, les molécules du solvant pénètrent en profondeur pour former
une solution homogène. (Fig.2). Les corps de cette nature sont dits (tensioactifs).
L’adsorption est autant plus forte que la solubilité est plus faible. Si l’on considère la série
des acides gras de (C4 à C12), leur pouvoir tensioactif s’accroît au fur et à mesure que la
chaîne carbonée s’allonge et la solubilité en profondeur devienne nulle et toutes les
molécules restent en surface.
B
A
B
FA↔B
B
A
A
B
B
A
B
A
B
A
FA↔A
B
FA↔A
A
B
A
A
A
B
FA↔B
A
B
Fig. 1: FA↔A > FA↔B
A
A
B
B
A
B
Fig. 2: FA↔A < FA↔B
C- LES FILMS MONOMOLECULAIRES:
Toutes les molécules qui réalisent des couches superficielles sont caractérisées par
l’existence de deux parties dont l’affinité pour l’eau est très différente.
* Une partie (Hydrophile) constituée par un groupe polaire [ -CO2 , -CH2OH, -NH2 ] qui
assure l’ancrage de la molécule à la surface de l’eau.
* Un groupe (Hydrophobe) éloignée de l’eau.
La partie hydrophile vers l’eau et la partie hydrophobe vers l’air, ceci donne aux molécules
une disposition perpendiculaire à la surface de l’eau.
Film gazeux
Chaîne carbonée hors de l’eau
Groupe polaire immergé
Eau
D- PRESSION SUPERFICIELLE:
L’existence des films mono moléculaires en surface entraîne toujours un abaissement
très notable de la tension superficielle en raison de la faible affinité de ces molécules pour
l’eau.
Cuve de Lang mure:
Considérant une cuve large et plate où la surface du liquide vient affleurer les bords.
On dispose d’une réglette non mouillable, qu’on peut déplacer
selon la flèche et qui sépare d’un coté le film
de tension superficielle (σ ) et de l’autre l’eau
pure de tension superficielle (σ0 ) où (σ < σ0 ).
σ0
σ
Lorsqu’on déplace la réglette d’une distance (δX)
F
L
la surface de l’eau diminue de (L.δX) et la diminution
de énergie de la tension superficielle sera de (σ0 . L.δX).
La surface du film augmente de la même quantité et
l’énergie du film augmente à son tour de (σ. L.δX).
δX
A l’équilibre, énergie totale est de: δW = (σ - σ0 ). L.δX < 0.
L’extension du film correspond à une diminution de l’énergie libre de la surface et donc le
système fournit de l’énergie à extérieur comme si le film exerçait sur la réglette une force
F = L (σ0 - σ ).
En physique des surface la pression est exprimée par (F / L ) ⇒ P = (σ0 - σ ).
Cette même cuve peut-être utilisée pour calculer la surface critique qu’occupe la base
d’une molécule disposée verticalement sur la surface de l’eau.
Cette même cuve peut-être utilisée pour calculer la surface critique qu’occupe la base
d’une molécule disposée verticalement sur la surface de l’eau.
La réglette est déplacée suivant le sens indiqué
ce qui rassemble toutes les molécules préalablement
dispersée en une surface dite surface critique.
Le nombre des molécules existant étant connu,
la surface de l’eau occupée par les molécules étant
définie, cela permet de déterminer la surface occupée
par chaque molécule.
Dans le cas de l’acide citrique (C17H35COOH), cette
surface est estimée à 20A°2.
σ0
σ
F
L
δX
E- PROPRIETES SUPERFICIELLES DES PROTEINES ET DES PHOSPHOLIPIDES:
Les protéines en solution aqueuse abaissent considérablement la tension
superficielle, elles sont donc capables de former un film mono moléculaire non soluble dans
l’eau même par agitation.
Les phospholipides sont des composés amphi lyophiles, possédant un pôle
hydrophile (acide phosphorique et alcool azoté) et un pôle hydrophobe (acide gras).
Etalés sur la surface de l’eau, ils forment des films où l’extrémité polaire plonge dans l’eau et
les brins polaires s’orientent hors de l’eau. Une dispersion de phospholipides dans l’eau
dans un système à deux compartiments permet de former une double couche lipidique au
voisinage de la membrane de séparation. Cette double couche se rapproche des
membranes cellulaires.
F- APPLICATION DES PHENOMENES SUPERFICIELS EN PHASE LIQUIDE
L’étude des couches formées en surface avait permis à Gronder et Gorter en 1962
d’affirmer que les lipides extraits des globules rouges forment sur la surface de l’eau un film
dont l’épaisseur est égale à la moitié de l’épaisseur de la membrane cellulaire. A partir de
cela, ils ont déduit que la membrane cellulaire est formée de deux couches de
phospholipides. L’étude de la structure de la membrane a été développée par la suite par
l’utilisation du microscope électronique pour arriver au modèle de celle-ci.
MOUSSE:
La mousse est une dispersion d’un gaz dans un liquide. En agitant fortement un
liquide en présence d’un gaz, on arrive à faire apparaître une mousse, c’est à dire créer de
nouvelles interfaces liquide-gaz.
Ce phénomène trouve ses applications dans la séparation des corps tensioactifs dissous. En
multipliant les interfaces, on favorise la concentration sur celles-ci et il suffit alors de recueillir
la mousse pour réaliser une parfaite séparation. Cette méthode est utiliser pour séparer
certaines hormones stéroïdes des urines.
EMULSION:
Une émulsion est une dispersion d’un liquide dans un autre liquide non miscible au
premier. Celle-ci est obtenue en secouant violemment les deux liquides. Un des deux
liquides est le liquide dispersant, sa phase est continue, l’autre est dispersé c’est à dire
séparé en gouttelettes discontinues.