Chimie

Lorsque vous versez un verre d’eau ou que vous remplissez une voiture d’essence, vous observez que l’eau et l’essence s’écoulent librement. Mais lorsque vous versez du sirop sur des crêpes ou que vous ajoutez de l’huile dans un moteur de voiture, vous remarquez que le sirop et l’huile de moteur ne coulent pas aussi facilement. La viscosité d’un liquide est une mesure de sa résistance à l’écoulement. L’eau, l’essence et les autres liquides qui s’écoulent librement ont une faible viscosité. Le miel, le sirop, l’huile de moteur et d’autres liquides qui ne s’écoulent pas librement, comme ceux illustrés dans la figure 1, ont une viscosité plus élevée. On peut mesurer la viscosité en mesurant la vitesse à laquelle une boule de métal tombe dans un liquide (la boule tombe plus lentement dans un liquide plus visqueux) ou en mesurant la vitesse à laquelle un liquide s’écoule dans un tube étroit (les liquides plus visqueux s’écoulent plus lentement).

Figure 1. (a) Le miel et (b) l’huile à moteur sont des exemples de liquides à haute viscosité ; ils s’écoulent lentement. (crédit a : modification du travail de Scott Bauer ; crédit b : modification du travail de David Nagy)

Les FMI entre les molécules d’un liquide, la taille et la forme des molécules, et la température déterminent la facilité d’écoulement d’un liquide. Comme le montre le tableau 1, plus les molécules d’un liquide sont structurellement complexes et plus les FMI entre elles sont fortes, plus il leur est difficile de se déplacer les unes par rapport aux autres et plus la viscosité du liquide est élevée. Lorsque la température augmente, les molécules se déplacent plus rapidement et leurs énergies cinétiques sont mieux à même de surmonter les forces qui les maintiennent ensemble ; ainsi, la viscosité du liquide diminue.

Les différentes FMI 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 manière égale dans toutes les directions par les forces cohésives 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 du déséquilibre des attractions moléculaires sur les molécules de surface, les liquides se contractent pour former une forme qui minimise le nombre de molécules à la surface, c’est-à-dire la forme ayant la surface minimale. Une petite goutte de liquide a tendance à prendre une forme sphérique, comme le montre la figure 2, car dans une sphère, le rapport entre la surface et le volume est minimal. Les gouttes plus grosses sont plus fortement affectées par la gravité, la résistance de l’air, les interactions de surface, et ainsi de suite, et par conséquent, sont moins sphériques.

Figure 2. Les forces d’attraction donnent lieu à une goutte d’eau sphérique qui minimise la surface ; les forces de cohésion maintiennent la sphère ensemble ; les forces adhésives maintiennent la goutte attachée à la toile. (crédit : modification de l’œuvre de « OliBac »/Flickr)

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 résulte des forces de cohésion entre les molécules à la surface d’un liquide, et elle fait que la surface d’un liquide se comporte comme une membrane de caoutchouc étirée. Les tensions de surface de plusieurs liquides sont présentées dans le tableau 2. Parmi les liquides courants, l’eau présente une tension superficielle nettement élevée en raison de la forte liaison hydrogène entre ses molécules. En raison de cette tension superficielle élevée, la surface de l’eau représente une « peau relativement dure » qui peut supporter une force considérable sans se rompre. Une aiguille en acier posée avec précaution sur l’eau flottera. Certains insectes, comme celui de la figure 3, même s’ils sont plus denses que l’eau, se déplacent à sa surface car ils sont soutenus par la tension superficielle.

Figure 3. La tension de surface (à droite) empêche cet insecte, un « water strider », de s’enfoncer dans l’eau (à gauche).

Les FMI d’attraction entre deux molécules différentes sont appelées forces adhésives. Considérez ce qui se passe lorsque l’eau entre en contact avec une certaine surface. Si les forces adhésives 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 nombreuses matières plastiques telles que le polyéthylène. L’eau forme des gouttes sur ces surfaces parce que les forces de cohésion à l’intérieur des gouttes sont plus importantes que les forces adhésives entre l’eau et le plastique. L’eau s’étale sur le verre parce que la force adhésive entre l’eau et le verre est supérieure aux forces de cohésion à l’intérieur de 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 remonte le long du tube. En revanche, les forces de cohésion entre les atomes de mercure sont beaucoup plus importantes que les forces d’adhésion entre le mercure et le verre. Le mercure ne mouille donc pas le verre et il forme un ménisque convexe lorsqu’il est confiné dans un tube car les forces de cohésion à l’intérieur du mercure ont tendance à l’attirer en goutte (figure 4).

Figure 4. Les différences dans les forces relatives des forces cohésives et adhésives entraînent des formes de ménisque différentes pour le mercure (à gauche) et l’eau (à droite) dans des tubes en verre. (crédit : Mark Ott)

Si vous placez une extrémité d’une serviette en papier dans du vin renversé, comme le montre la figure 5, le liquide remonte le long de 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, c’est-à-dire lorsqu’un liquide s’écoule dans un matériau poreux en raison de l’attraction des molécules de liquide sur la surface du matériau et sur d’autres molécules de liquide. Les forces adhésives entre le liquide et le matériau poreux, combinées aux forces de cohésion au sein du liquide, peuvent être suffisamment fortes pour déplacer le liquide vers le haut contre la gravité.

Figure 5. Le vin s’infiltre dans une serviette en papier (à gauche) en raison des fortes attractions des molécules d’eau (et d’éthanol) vers les groupes -OH des fibres de cellulose de la serviette et des fortes attractions des molécules d’eau vers d’autres molécules d’eau (et d’éthanol) (à droite). (crédit photo : modification des travaux de Mark Blaser)

Les serviettes absorbent les liquides comme l’eau parce que les fibres d’une serviette sont constituées de molécules qui sont attirées par les molécules d’eau. La plupart des serviettes en tissu sont en coton, et les serviettes en papier sont généralement fabriquées à partir de pâte à papier. Tous 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 forment des liaisons hydrogène avec eux, ce qui attire les molécules d’H2O vers les molécules de cellulose. Les molécules d’eau sont également attirées les unes par les autres, de sorte que de grandes quantités d’eau sont aspirées vers le haut des fibres de cellulose.

L’action capillaire peut également se produire lorsqu’une extrémité d’un tube de petit diamètre est immergée dans un liquide, comme l’illustre la figure 6. Si les molécules du liquide sont fortement attirées par les molécules du tube, le liquide rampe à l’intérieur du tube jusqu’à ce que le poids du liquide et les forces adhésives soient en équilibre. Plus le diamètre du tube est petit, plus le liquide grimpe haut. C’est en partie grâce à l’action capillaire qui se produit dans les cellules végétales appelées xylème que l’eau et les nutriments dissous sont amenés du sol vers les racines et dans la plante. L’action capillaire est à la base de la chromatographie en couche mince, une technique de laboratoire couramment utilisée pour séparer de petites quantités de mélanges. Vous dépendez d’un apport constant de larmes pour garder vos yeux lubrifiés et de l’action capillaire pour pomper le liquide lacrymal.

Figure 6. Selon les forces relatives des forces adhésives et cohésives, un liquide peut monter (comme l’eau) ou descendre (comme le mercure) dans un tube capillaire en verre. L’ampleur de la montée (ou de la descente) est directement proportionnelle à la tension superficielle du liquide et inversement proportionnelle à la densité du liquide et au rayon du tube.

La hauteur à laquelle un liquide monte dans un tube capillaire est déterminée par plusieurs facteurs, comme le montre l’équation suivante :

Dans cette équation, h est la hauteur du liquide à l’intérieur du tube capillaire par rapport à la surface du liquide à l’extérieur du tube, T est la tension superficielle du liquide, θ est l’angle de contact entre le liquide et le tube, r est le rayon du tube, ρ est la densité du liquide, et g est l’accélération due à la gravité, 9.8 m/s2. Lorsque le tube est constitué d’un matériau vers lequel les molécules de liquide sont fortement attirées, elles s’étalent complètement sur la surface, ce qui correspond à un angle de contact de 0°. C’est la situation de l’eau qui monte dans un tube en verre.

Applications biomédicales de l’action capillaire

Figure 7. Le sang est prélevé pour une analyse médicale par capillarité, qui aspire le sang dans un tube de verre de petit diamètre. (crédit : modification des travaux des Centers for Disease Control and Prevention)

De nombreuses analyses médicales nécessitent de prélever une petite quantité de sang, par exemple pour déterminer la quantité de glucose chez une personne diabétique ou le taux d’hématocrite chez un athlète. Cette procédure peut être facilement réalisée grâce à l’action capillaire, la capacité d’un liquide à s’écouler dans un petit tube contre la gravité, comme le montre la figure 7. Lorsque vous vous piquez le doigt, une goutte de sang se forme et se maintient en raison de la tension superficielle, c’est-à-dire des attractions intermoléculaires déséquilibrées à la surface de la goutte. Ensuite, lorsque l’extrémité ouverte d’un tube de verre de faible diamètre touche la goutte de sang, les forces adhésives entre les molécules du sang et celles de la surface du verre font remonter le sang dans le tube. La distance parcourue par le sang dans le tube dépend du diamètre du tube (et du type de fluide). Un petit tube présente une surface relativement importante pour un volume de sang donné, ce qui entraîne des forces d’attraction (relatives) plus importantes, permettant au sang d’être aspiré plus loin dans le tube. Le liquide lui-même est maintenu par ses propres forces de cohésion. Lorsque le poids du liquide dans le tube génère une force descendante égale à la force ascendante associée à l’action capillaire, le liquide cesse de monter.

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