PHENOMENES AUX INTERFACES ET MOUILLAGE LIQUIDE – SOLIDE

Concepts généraux sur les phénomènes aux interfaces

Les phénomènes d’interface désignent généralement les phénomènes physiques se produisant à la surface limite d’un liquide avec un gaz, un autre liquide ou un solide. Ces phénomènes trouvent leur origine dans les interactions où les forces intermoléculaires sont inégalement réparties autour des molécules en surface contrairement à celles qui sont situées à l’intérieur du liquide [33]. Ces dernières perdent une partie des interactions moléculaires, comme illustré sur la Figure 2. Figure 2. Illustration des interactions moléculaires à l’intérieur d’un système liquide [33].

Les forces d’interface ont été mises en évidence et on distingue les forces attractives de type Van der Waals, les forces de liaison (liaison hydrogène, liaison chimique) et les forces répulsives moléculaires ou ioniques. Les forces attractives ou forces de Van der Waals sont de trois types : –

Les forces de Keesom se créent entre deux molécules polaires par le phénomène d’attraction électrostatique, – Les forces de Debye ont lieu entre une molécule polaire et une molécule apolaire mais polarisable par l’effet d’un champ électrique, – Les forces de London naissent entre deux molécules apolaires mais polarisables. Molécule en déséquilibre de forces Molécule en équilibre de forces Il a été montré que les forces de London, encore appelée forces de dispersion, sont généralement les plus importantes parmi les forces de Van der Waals [33,34].  Notions de tension de surface, énergie de surface et tension interfaciale

Les phénomènes d’interface induisent des propriétés particulières à la surface limite des liquides et des solides. Celles-ci se manifestent à la surface des systèmes par des forces d’interface qui peuvent être attractives et/ou répulsives. Les molécules d’un liquide sont en interaction les unes avec les autres par des forces d’attraction et d’agitation thermique [35]. Le bilan de ces forces, lorsque les forces d’attraction l’emportent sur l’agitation thermique, assure la cohésion intermoléculaire du liquide.

Dans ces conditions, les molécules situées au sein du liquide sont parfaitement en équilibre au milieu de leurs congénères, ce qui n’est pas le cas pour celles situées en surface. En effet, celles-ci perdent une partie de l’énergie de cohésion du fait de la dissymétrie des forces d’interaction entre l’intérieur du liquide et la surface (Figure 2). Pour les molécules situées à la périphérie, constituant l’interface du liquide,

il est associé une énergie libre EL par unité de surface qui correspond à la perte d’énergie de cohésion. Cette énergie de surface s’exprime généralement à travers une force par unité de longueur, notée γ et appelée tension de surface, qui tend à minimiser l’aire interfaciale liquide-gaz A. La tension γ traduit la variation de l’énergie libre par unité d’aire interfaciale : Équation 1 En fait, une molécule située en surface perd donc globalement une partie de l’énergie de cohésion. La tension de surface du liquide ou tension superficielle n’est autre que le rapport de l’énergie que perd une molécule par unité de surface moléculaire.

Ainsi, si U est l’énergie de cohésion intermoléculaire, une molécule en surface perdrait globalement une énergie ௎ ଶ . Si a est la dimension moléculaire et a² la surface exposée par molécule, la tension de surface serait égale à : 𝛾 = ௎ ଶ௔² Équation 2 Plus simplement, la tension de surface γ est la force par unité de longueur nécessaire pour créer une surface d’une unité dans une colonne de liquide et elle s’exprime en N/m.