Tension superficielle des liquides

Au sein d'un liquide, les molécules sont soumises à des forces d'attraction qui assurent leur cohésion. Les molécules situées à la surface du liquide sont défavorisées, puisqu'elles ne bénéficient que de la moitié des interactions dont bénéficient celles qui sont situées au sein du liquide. Le liquide tendra à minimiser sa surface. Augmenter sa surface nécessitera d'y affecter une énergie supplémentaire pour compenser la diminution des interactions.

Le travail requis pour augmenter la taille de la surface d'une phase est appelé tension superficielle. En tant que mesure du travail par unité de surface ou de la force par longueur mouillée, la tension superficielle s'exprime en SI en [N/m] ou plus pratique, son sous-multiple [mN/m]. Elle est désignée par le symbole σ (sigma minuscule).

Le terme tension superficielle est parfois remplacé par le terme tension de surface par analogie avec le terme anglais: "surface tension".

Si la phase est solide, le terme équivalent « énergie de surface » est généralement utilisé. Si la phase adjacente est un liquide ou un solide, on parle alors de tension interfaciale.

La tension superficielle détermine le comportement des liquides dans de nombreux processus et phénomènes :

• Mouillage et mouillabilité. Le mouillage d'un solide par un liquide dépend, entre autres, de la tension de surface. Cela joue un rôle majeur dans le lavage et le nettoyage, et ainsi dans les processus de mouillage ainsi que l'impression et le revêtement.
• Taille des gouttelettes : Avec un spray ou une émulsion, la surface totale des gouttelettes est plus importante que celle des plus petites gouttelettes individuelles. La taille des gouttelettes produites dépend donc la tension de surface.
• Dispersions et dispersabilité : Les surfaces limites sont formées entre les particules de solides et le liquide pendant la dispersion. Une tension superficielle élevée a un effet négatif sur la dispersabilité, car le contact entre des particules similaires est recommandé (formation de caillots).

Unités de mesure

Les méthodes de mesure les plus courantes consistant à mesurer une force et à la rapporter à une longueur de contact, il est naturel d'exprimer la tension superficielle par une force divisée par une longueur:
en SI: [N/m]
en CGS: [dyn/cm]
en IMP: [lbf/in]
Le phénomène de capillarité résultant d'une différence d'énergie à la surface du liquide, on peut exprimer la tension superficielle par une énergie par unité de surface:
en SI: [J/m²]
en CGS: [erg / cm²]
L'équation aux dimensions des deux mode d'expression précédents conduit à exprimer la tension superficielle par une masse divisée par un temps au carré [M/T²]. Il est donc possible de l'exprimer également ainsi, même si le sens physique d'une telle expression est difficile à entrevoir:
en SI: [kg/s²]
en CGS: [g/s²]
en IMP: [lb/s²]

Valeurs de quelques liquides courants

Liquide	tension superficielle [mN/m]
Hélium (4°K)	0,1
Ethanol	23
Acétone	24
Glycérol	63
Eau (20°C)	73
Eau (100°C)	58
Verre fondu	300
Mercure	485

Estimation de la tension superficielle

Puisque la tension superficielle est une manifestation de la cohésion des liquides, on peut essayer de l'estimer en utilisant d'autres propriétés de cohésion connues.

Le Parachor

Le parachor est un paramètre comparant le volume molaire de substances différentes à des températures pour lesquelles leur tension superficielle est identique. Ce concept a été introduit par S. J. Sudgen en 1924 puis révisé par Mumford et Phillips en 1929 puis O. R. Quayle en 1953 (Quayle O.R. Chem. Revs. 53 (1953) 439).
Le parachor est une propriété additive. Le parachor d'une substance peut être obtenu en faisant la somme des parachors des groupes et atomes constituant sa molécule.
La tension superficielle de la substance est estimée par la relation:

σ_l = (P_s(ρ_L - ρ_V) ⁄ M)⁴

P_s: parachor = ∑ P_i [(mJ/m²)^1/4(cm³/mol)]
ρ_L,ρ_V: masse volumique du liquide et de la vapeur [g/cm³]
M: masse molaire de la substance [g/mole]

On constate que la valeur du parachor des substances est dans un rapport constant avec leur volume critique:

P_s = 0,78V_c

La liste des contributions au parachor tirés des travaux de Quayle est la suivante:

Groupes	Pi
–CH2–	40.0
>C<	9.0
–H	15.5
–O–	19.8
–O2 (esters)	54.8
>N–	17.5
–S–	49.1
–F	26.1
–Cl	55.2
–Br	68.0
–I	90.3
Double liaison	16.3–19.1
Triple liaison	40.6
Cycle à trois membres	12.5
Cycle à quatre membres	6.0
Cycle à cinq membres	3.0
Cycle à six membres	0.8
Cycle à sept membres	4.0

Le parachor étant indépendant de la température, il peut être utilisé pour calculer la variation de tension supericielle avec la température.

Exemple d'utilisation

P_s = 2×40 + 2×15,5 + 19,8 = 130,8
M = 46 g/mole
ρ_L = 0,789 g/cm³ à 20°C
        0,772 g/cm³ à 40°C
ρ_V = 0,002 g/cm³ à P_atm
Vc = 168 cm³/mole
à 20°C:
σ_l = (130,8×(0,789 - 0,002) ⁄ 46)⁴ = 25,1 mJ/m²
à 40°C:
σ_l = (130,8×(0,772 - 0,002) ⁄ 46)⁴ = 23,0 mJ/m²
assez proches des valeurs publiées: 22,3 mJ/m² à 20°C et 20,6 à 40°C
P_s ⁄ V_c = 0,779