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  1. 1. Tensioactif Un tensioactif ou agent de surface ou surfactant est un composé qui modifie la tension superficielle entre deux surfaces. Les composés tensioactifs sont des molécules amphiphiles, c'est-à-dire qu'elles présentent deux parties de polarité différente, l'une lipophile (qui retient les matières grasses) et apolaire, l'autre hydrophile(miscible dans l'eau) et polaire. Ils permettent ainsi de solubiliser deux phases non miscibles, en interagissant avec l'une apolaire (c'est-à-dire lipophile donc hydrophobe), par sa partie hydrophobe ; tandis qu'avec l'autre phase qui est polaire, il interagira par sa partie hydrophile. ocabulaire, sémantique[modifier | modifier le code] Au Canada notamment, on parle aussi de surfactif, transposition du mot anglais surfactant qui est la compression de « surface active agent » (agent de surface actif). On trouve aussi parfois le terme detenside. Propriétés[modifier | modifier le code] Les propriétés des tensioactifs sont dues à leur structure amphiphile. Cette structure leur confère une affinité particulière pour les interfaces de type huile/eau et eau/huile et donc, par là même, leur donne la capacité d'abaisser l'énergie libre de ces interfaces. Ce phénomène est à la base de la stabilisation de systèmes dispersés. En tant qu'agents émulsifiants ou stabilisants, on peut détailler leur action en trois points : ils facilitent la formation de gouttes en diminuant la tension de surface, car l'énergie nécessaire à leur formation est directement proportionnelle à cette tension de surface. Ils permettent également d'empêcher la recombinaison immédiate de gouttes nouvellement créées via l'effet Marangoni, ce qui rend possible l'émulsification ; ils stabilisent les gouttes formées en diminuant le gradient de pression au niveau de l'interface ; ils stabilisent les gouttes vis-à-vis de l'agrégation, en apportant des répulsions électrostatiques ou stériques entre les gouttes. Un agent tensio-actif est un corps qui, même utilisé en faible quantité, modifie de façon importante la tension superficielle, en particulier celle de l'eau. Ainsi, à l'exception des sels minéraux ou des bases(sauf l'ammoniac), la majorité des agents tensioactifs abaissent la tension superficielle de l'eau. Cependant pour connaitre leur caractère hydrophile ou hydrophobe majoritaire, on peut raisonner sur la valeur de leur HLB (Hydrophilic-Lipophilic Balance, balance hydrophile/hydrophobe), qui estime numériquement cet équilibre entre partie lipophile et partie hydrophile. Ces propriétés confèrent un caractère toxique ou écotoxique à de nombreux surfactant, notamment quand ils se retrouvent sur la peau (qu'ils rendent alors plus pénétrable par de nombreux toxiques1), dans l'eau ou à l'interface (biofilm éventuellement) air-eau 2. Fonctions[modifier | modifier le code] Les tensioactifs sont parfois dénommés selon la fonction qu'ils remplissent. Détergents[modifier | modifier le code] Article détaillé : Détergent. Un détergent (ou agent de surface, détersif, surfactant) est un composé chimique, généralement issu du pétrole, doté de propriétés tensioactives, ce qui le rend capable d'enlever les salissures sur un support solide. La détersion est un élément d'hygiène fondamental, puisqu'il permet d'éliminer une grande partie des bactéries présentes sur les surfaces nettoyées, en particulier la peau, les ustensiles servant à lapréparation et à la consommation des repas. Le pouvoir détersif des tensioactifs découle essentiellement de leur pouvoir solubilisant. Les agents détergents ont souvent une HLB comprise entre 13 et 15. Agents de solubilisation[modifier | modifier le code] À très faible concentration, les tensioactifs sont capables de former des solutions vraies dans une phase aqueuse. Lorsque leur concentration dépasse une valeur particulière (la concentration micellaire critique), les molécules du tensioactif se regroupent en agrégats appelés micelles. Ce regroupement se fait de sorte que leur pôle hydrophile soit le seul en contact avec les molécules d'eau. Par ce biais, certains tensioactifs sont capables de faire passer en « solution » des substances normalement insolubles dans le solvant utilisé. La substance insoluble est prise en charge par les micelles et s'y insère.
  2. 2. Les agents solubilisants ont souvent une HLB comprise entre 18 et 20. Agents moussants[modifier | modifier le code] Article connexe : Émulseur. La formation de mousse, dispersion d’un volume important de gaz dans un faible volume de liquide, nécessite la présence d’agents tensioactifs qui s’adsorbent à l’interface eau-air. Les agents moussants ont souvent une HLB comprise entre 3 et 8. Agents mouillants[modifier | modifier le code] Le mouillage d'un solide par un liquide correspond à l'étalement du liquide sur le solide. En diminuant la tension superficielle solide-liquide, les agents mouillants permettent un plus grand étalement du liquide. Ce pouvoir mouillant participe à la mise en suspension de particules solides dans un liquide dans lequel elles sont insolubles, en chassant la couche d'air adhérant aux particules qui gêne la dispersion dans la phase liquide. Les agents mouillants ont souvent une HLB comprise entre 6 et 8. Agents dispersants[modifier | modifier le code] Les agents dispersants permettent de fixer les particules hydrophobes contenues dans une solution hydrophile, telle que de l'eau, ce qui permet de créer une dispersion, c'est-à-dire une solution aqueuse contenant des particules en suspension. Ces agents préviennent la floculation des particules, c'est-à-dire leur regroupement en plus grosses parties, qui pourraient alors facilement sédimenter dans le fond de la solution. Agents émulsifiants[modifier | modifier le code] Un émulsifiant facilite la formation d'une émulsion entre deux liquides non miscibles (par exemple de l'eau et de l'huile). Dans une émulsion, le premier liquide (appelé phase discontinue) est dispersé dans le second liquide (appelé phase continue) sous forme de petites gouttelettes. Le rôle du tensioactif est de diminuer la tension de surface entre les deux phases liquides, en formant un film autour des gouttelettes dispersées. Pour une émulsion E/H, plutôt utiliser un tensioactif dont la HLB est inférieure à 6. Pour une émulsion H/E, plutôt utiliser un tensioactif dont la HLB est supérieure à 10. Tensioactifs antiseptiques[modifier | modifier le code] Certains tensioactifs (principalement les sels d'ammonium quaternaire) sont aussi utilisés pour leur pouvoir bactériostatique ou bactéricide dans des formulations pharmaceutiques ou cosmétiques. À faible dose, le cation du sel d'ammonium quaternaire se fixe sur les groupements terminaux acides ou autres anions de la paroi bactérienne, ce qui perturbe les fonctions de respiration et de reproduction de la bactérie. À plus fortes doses, on observe même la destruction complète de la membrane bactérienne (mais ces doses sont généralement toxiques pour l'homme). Typologie[modifier | modifier le code] On distingue quatre types de composés tensioactifs, regroupés selon la nature de la partie hydrophile : 1. tensioactifs anioniques : leur partie hydrophile est chargée négativement ; 2. tensioactifs cationiques : leur partie hydrophile est chargée positivement ; 3. tensioactifs zwitterioniques ou amphotères : leur partie hydrophile comporte une charge positive et une charge négative, la charge globale est nulle ; 4. tensioactifs non ioniques : la molécule ne comporte aucune charge nette. Tensioactifs anioniques[modifier | modifier le code] Les tensioactifs anioniques libèrent une charge négative (anion) en solution aqueuse. Ils ont une balance hydrophile/lipophile (HLB) relativement élevée (8 à 18) car ils ont une tendance hydrophile plus marquée. Ils orientent l'émulsion dans le sens H/E, Huile/Eau (si HLB>18 alors détergent). Parmi ce type de tensioactifs, on peut citer les savons, qui sont des sels d'acides gras, de formule générale RCOOM (R = longue chaîne hydrocarbonée, M = un métal, un alcalin ou une base organique). Selon la nature du groupement M, on distingue les savons alcalins (savons de Na+, K+, NH4+), les savons métalliques (de calcium surtout) et les savons organiques (savon de triéthanolamine par exemple, dont le stéarate de triéthanolamine). On retrouve aussi des dérivés sulfatés (exemples : laurylsulfate de sodium et laurylsulfate de triéthanolamine), très utilisés comme agents émulsionnants ou moussants, et des dérivés sulfonés (exemple : dioctylsufosuccinate de sodium) souvent caractérisés par un fort pouvoir mouillant. Il y a aussi les lipoaminoacides, qui ont une grande similitude avec les lipoaminoacides présents dans l'épiderme, ce qui en fait des tensioactifs « physiologiques », utilisés dans les crèmes, dentifrices, lotions capillaires.
  3. 3. Ils ne sont pas compatibles avec les Tensioactifs cationiques. Tensioactifs cationiques[modifier | modifier le code] Les tensioactifs cationiques libèrent une charge positive (cation) en solution aqueuse. Ce sont généralement des produits azotés (avec un atome d'azote chargé positivement). On peut notamment citer les sels d'ammonium quaternaire : sels d'alkyltrimethylammonium (bromure d'alkyltrimethylammonium), sels d'alkylbenzyldimethylammonium (exemple : chlorure de benzalkonium). Ils ont des propriétésbactériostatiques et émulsionnantes. Ils ont une affinité avec la kératine de la peau ou des cheveux, car chargée négativement ; ils se combinent avec elle pour former un film lisse. On les utilise dans les après-shampoing, les antipelliculaires, certaines teintures, les déodorants. C'est le produit actif des assouplissants textiles en feuilles et liquides (Bounce, Fleecy, ...). Ils s'adsorbent à la surface des tissus, les chargeant négativement, réduisant les forces électrostatiques présentes, et par là l'électricité statique présente. Ils rendent les tissus plus souples. Ils sont irritants pour la muqueuse oculaire. Ils ne sont pas compatibles avec les tensioactifs anioniques. Tensioactifs zwitterioniques ou amphotères[modifier | modifier le code] Les tensioactifs amphotères contiennent à la fois des groupements acides et basiques. En conséquence, suivant le pH du milieu où ils se trouvent, ils libèrent un ion positif ou un ion négatif : en pH basique, ils se comportent comme des tensioactifs anioniques ; en pH acide, ils se comportent comme des tensioactifs cationiques. Les tensioactifs amphotères ont une HLB élevée ; et sont donc utilisés comme détergents. Moins agressifs que les anioniques, ils sont recommandés pour les peaux fragiles. Il existe différentes classes chimiques de tensioactifs amphotères. On peut notamment citer : les bétaïnes, qui contiennent un groupement ammonium quaternaire et un groupement acide carboxylique (utilisées comme agents moussants et détergents) ; les dérivés de l'imidazoline (moussants et antiseptiques bien tolérés par la peau et les muqueuses, dont la muqueuse oculaire) ; les polypeptides, peu irritants pour la peau (utilisés dans les shampoings, crèmes, laits démaquillants, etc.) ; Ils sont compatibles avec les autres tensioactifs. Tensioactifs non ioniques[modifier | modifier le code] Leur molécule ne comporte aucune charge nette (ne s'ionise pas dans l'eau). On[Qui ?] dit qu'ils comptent parmi les meilleurs détergents. Ils peuvent être classés en fonction de la nature de la liaison entre les parties hydrophile et hydrophobe de la molécule. Les tensioactifs non ioniques sont généralement compatibles avec les autres tensioactifs. Tensioactifs à liaison ester (R-CO-O-R')[modifier | modifier le code] On peut citer les esters de glycol (exemple : stéarate d'éthylène glycol), les esters de glycérol (exemple : stéarate de glycérol, utilisé comme émulsionnant), les esters de polyoxyethylèneglycol (obtenus par action d'oxyde d'éthylène sur un acide gras ou un mélange d'acides gras), les esters de sorbitane, mais surtout les esters de sorbitane polyoxyéthyléniques, plus couramment appelés Tweens ou polysorbates. Un agent tensioactif non ionique connu et très fréquemment utilisé en chimie et en biologie est le Tween (Tween 20, 60, 80, etc.) ou ester de sorbitan, mais on utilise aussi des esters de saccharose. Ces membres de la famille des esters de sucre sont constitués d'un groupement osidique hydrophile et d'une chaîne grasse hydrophobe. Les esters de sucre ont plusieurs avantages en tant que tensioactifs : matières premières peu coûteuses et renouvelables ; biodégradabilité complète en aérobiose et en anaérobiose ; molécules ne présentant ni toxicité ni caractère irritant ; absence de goût et d'odeur ; molécule non ionique ; large gamme de structures disponibles.
  4. 4. Tensioactifs à liaison éther (R-O-R')[modifier | modifier le code] Exemple : les éthers d'alcools gras et de polyoxyéthylèneglycol, utilisés comme émulsionnants. Tensioactifs à liaison amide (R-CO-NH-R')[modifier | modifier le code] Exemple : Comperlan, qui a des propriétés moussantes, émulsionnantes, détergentes, épaississantes. http://fr.wikipedia.org/wiki/Tensioactif Tension superficielle La tension superficielle est un phénomène d'augmentation de l'énergie à la surface d'un fluide et qui en augmente localement la cohésion. Cet effet permet par exemple aux insectes de marcher sur l'eau, à un objet léger de se maintenir à la surface d'un liquide, à la rosée de ne pas s'étaler sur les pétales de fleurs, et explique la capillarité. Description[modifier | modifier le code] À la surface d'un milieu dense (liquide ou solide) ou à l'interface entre deux milieux denses, la matière n'est pas, localement, rigoureusement dans le même état. Ce nouvel état local a une énergie légèrement supérieure. À la surface ou interface est donc associée une certaine énergie par unité de surface (exprimée en joules par mètres carrés — J/m2) dont l'origine est la force de cohésion entre molécules identiques. Un point de vue équivalent est qu'il existe, au voisinage de la surface ou interface, une certaine contrainte en tension dans le milieu ; c'est une force par unité de longueur, exprimée en N/m. On parle donc indifféremment d'énergie ou de tension. On a l'habitude, pour l'interface entre deux milieux denses, de parler de tension interfaciale, d'énergie interfaciale ou d'énergie d'interface. Entre un milieu dense et un gaz, on parle souvent plutôt detension superficielle, de tension de surface ou d'énergie de surface. Cet effet permet par exemple aux insectes de marcher sur l'eau, à un objet léger de se maintenir à la surface d'un liquide (illustration ci-contre), à la rosée de ne pas s'étaler sur les pétales de fleurs, et explique la capillarité. La tension superficielle explique aussi la formation des bulles de savon et la coalescence des gouttes ou des bulles. Exemples simples et expériences[modifier | modifier le code] Le phénomène de la tension superficielle est exploité naturellement par des insectes pour rester à la surface de l'eau. Un certain nombre d'expériences simples, permettent de mettre en évidence la tension superficielle. Comme on le voit sur la photo ci-dessus, la pièce qui normalement, vu la densité de l'aluminium, devrait tomber au fond du verre mais reste à la surface du liquide. Une autre expérience peut être réalisée avec un trombone posé délicatement à la surface de l'eau. Forme d'une goutte[modifier | modifier le code] Dans le cas d'une goutte d'un liquide A au sein d'un fluide B, l'énergie est minimale lorsque la surface est minimale. Or, la forme correspondant à la plus petite surface possible enserrant un volume donné est une sphère. C'est pour cela que les gouttes d'eau ont une forme sphérique. En réalité, la gravité joue également pour déterminer la forme de la goutte. Voir l'article sur les gouttes. Coalescence de deux gouttes[modifier | modifier le code]
  5. 5. Coalescence de deux gouttes : la surface totale diminue lorsque les deux gouttes fusionnent. Si deux gouttes se rencontrent, elles vont fusionner et ainsi former une seule goutte (coalescence), toujours pour minimiser l'énergie totale, produit de la tension superficielle par la surface totale. En effet, la surface totale du liquide est ainsi amoindrie. Exemple de calcul pour deux gouttes de même rayon Leur volume est proportionnel au cube à et a donc un rayon égal à Leur surface est égale à de leur rayon. Le volume de la goutte résultante est donc proportionnel . chacune, soit surface . au total. La goutte résultante, quant à elle, a une . Ainsi, la goutte résultante a une surface moindre que les deux gouttes initiales. Ménisque de l'eau dans un verre[modifier | modifier le code] Lorsque l'on met de l'eau dans un verre, elle remonte d'environ un millimètre le long de la paroi en adoptant une forme concave ; ceci est particulièrement visible dans le cas d'un tube à essai (environ 1 cm de diamètre). C'est ce que l'on appelle un ménisque. À l'inverse, il est possible de faire dépasser la surface de l'eau du bord du verre sans qu'elle ne s'écoule en dehors de celui-ci, la surface de l'eau adopte une forme convexe. Goutte qui pend sans tomber[modifier | modifier le code] C'est la tension superficielle qui retient la goutte au support ; la masse de la goutte qui tombe d'un compte-goutte est donnée par la loi de Tate Action de la tension superficielle sur un fil souple[modifier | modifier le code] Crack of a bubble Couper une bouteille en plastique, Poncer son bord de manière à faire disparaître les imperfections de la découpe, Percer deux trous diamétralement opposés à 5 mm du bord, Placer un fil légèrement détendu en travers de l'ouverture, Poser l'ouverture dans un récipient contenant de l'eau dans laquelle on a dilué un peu de liquide vaisselle, afin de créer une bulle, Rompre la partie inférieure de la bulle pour montrer que la force de tension superficielle qui minimise la partie supérieure est assez grande pour soulever le fil.
  6. 6. Propulsion à l'huile ou au savon[modifier | modifier le code] Bateau à réaction Découper une pièce de plastique d'environ 3 centimètres (la colorer la rend plus facilement visible). Y découper une fente d'un millimètre de large. La poser sur l'eau d'un récipient. Déposer une goutte d'huile ou de savon liquide dans la fente. La pièce est propulsée par la force de tension superficielle. On ne peut pas rééditer l'expérience sans changer l'eau contenue dans le récipient, car une goutte de liquide vaisselle abaisse tellement la tension superficielle qu'une deuxième goutte ne peut pas la diminuer suffisamment. Fontaine de soda[modifier | modifier le code] Dans un soda, les molécules du gaz carbonique dissout sont solvatées, les molécules d'eau forment un bouclier autour du CO2 ; si l'on secoue la bouteille, on vainc la tension superficielle du bouclier et les molécules de CO2 se regroupent pour former des bulles ; ou bien en utilisant une poudre, les petits grains abaissent la tension superficielle, on peut par exemple mettre des chewing-gums (on obtient ainsi l'Effet geyser du mélange Mentos-boisson gazeuse). Autres phénomènes[modifier | modifier le code] Un liquide peut monter dans un tube fin : loi de Jurin Mesure de la tension superficielle[modifier | modifier le code] Il est capital dans l'industrie de connaître la tension superficielle d'un matériau. En effet, plus celle-ci est élevée plus le matériau sera apte à être imprimé ou collé par exemple. Au contraire plus le matériau a un niveau de tension de surface bas, plus il servira de filtre (hydrophobe voire oléophobe). La notion de tension superficielle est omniprésente notamment dans les industries du plastique, de la céramique ou du métal. Pour le plastique : Il s'agit de savoir si on peut imprimer ou coller tel ou tel matériau, savoir si le matériau a été traité pour cela... Pour les métaux : Mesurer la tension superficielle sert à savoir si le matériau est propre et donc apte au processus de transformation. Méthodes de mesure[modifier | modifier le code] Voici quelques méthodes pratiquées couramment. Méthode de la goutte pendante ou stalagmométrie. Une goutte est observée de profil. Un ajustement précis de la forme par une famille de courbes connues, combiné à la taille de la goutte, permet de connaître la longueur capillaire. Connaissant la densité du liquide, on en déduit alors la tension superficielle. Méthode de pesée de goutte. Cette méthode consiste à peser une goutte qui tombe d'un capillaire de rayon connu. En première approximation1, les forces qui s'appliquent sur la goutte sont son poids, , et la
  7. 7. force due à la tension superficielle au niveau du capillaire, . Au moment précis où la goutte se détache, le poids de la goutte est égal aux forces capillaires, . On retrouve la loi de Tate, . Connaissant la masse de la goutte, on peut remonter à la tension de surface . Méthode de la plaque de Wilhelmy ou de l'anneau de du Nouy. On tire hors du liquide une plaque ou un anneau tout en mesurant la force exercée. On note la valeur de la force juste avant que leménisque se détache. On divise la force ainsi obtenue par la largeur de la plaque ou par le périmètre de l'anneau, et on obtient la valeur de la tension superficielle modulo un facteur trigonométrique. Méthode de la goutte tournante. On fait tourner un liquide 1 dans un liquide 2 de telle manière à avoir une géométrie de cylindre de longueur supérieure à quatre fois le rayon. Dans ce cas là, la tension de surface est lié à la vitesse de rotation, au rayon du cylindre intérieur et à la différence de densité entre les deux liquides. Cette méthode est adaptée aux faibles tensions interfaciales. On mesure la tension de surface entre deux liquides dans ce cas là. Mesures de pression. On mesure la pression dans des bulles qu'on éjecte d'un capillaire plongé dans un liquide. A la pression maximale, une relation simple permet de calculer la tension de surface entre le liquide et l'air. Méthode des encres test. On peut mesurer la tension de surface grâce à des encres test étalonnées. On trace un trait d'encre sur le matériau. Selon la réaction de l'encre on choisit l'encre d'un niveau supérieur ou inférieur et ainsi de suite jusqu'à ce que l'on trouve le niveau de tension superficielle du matériau. Valeurs typiques[modifier | modifier le code] Tension superficielle pour différents liquides en contact avec l'air2 Les pourcentages des mélanges sont des pourcentages massiques Liquide Acide acétique Température (°C) Tension de surface γ (10-3 N·m-1) 20 27,6 Acide acétique (40,1 %) + Eau 30 40,68 Acide acétique (10,0 %) + Eau 30 54,56 Acétone 20 23,7 Diéthyl éther 20 17,0 Éthanol 20 22,27 Éthanol (40 %) + Eau 25 29,63 Éthanol (11,1 %) + Eau 25 46,03 Glycérol 20 63 Isopropanol 20 21.7 Mercure 15 487 Mercure 20 436
  8. 8. Tension superficielle pour différents liquides en contact avec l'air2 Les pourcentages des mélanges sont des pourcentages massiques Température (°C) Tension de surface γ (10-3 N·m-1) Méthanol 20 22,6 Octane 20 21,8 Eau 0 75,64 Eau 20 72,8 Eau 25 71,97 Eau 37 70 Eau 50 67,91 Eau 100 58,85 Liquide Les valeurs suivantes sont tirées du Polycopié de mécanique des fluides d'Henri Broch : interface (eau + surfactant pulmonaire)/air : 25·10-3 N·m-1 ; plasma sanguin, 37 °C : σ = 73·10-3 N·m-1 ; Source : Flow Science inc. interface eau/huile à 20 °C : σ = 20·10-3 N·m-1 ; Mécanisme[modifier | modifier le code] Interface liquide/gaz[modifier | modifier le code] Au sein d'un fluide (liquide ou gaz), les molécules exercent entre elles des forces d'attraction ou de répulsion : force de Van der Waals (attraction), force électrostatique (attraction ou répulsion, liaison hydrogène). On parle de « forces intermoléculaires ». Si l'on considère un corps pur liquide, composé d'un seul type de molécules, les molécules s'attirent (sinon, elles ne formeraient pas une phase). Au sein du liquide, chaque molécule est tirée dans toutes les directions par les molécules voisines de liquide : la résultante des forces est nulle. On négligera les attractions entre le liquide et le gaz, car le gaz étant de beaucoup plus faible densité que le liquide, les interactions intermoléculaires entre les molécules du liquide seront beaucoup plus forte comparées aux interactions entre les molécules du liquide et du gaz. Ainsi, dans un liquide, toutes les molécules n'auront pas la même chance de faire des liaisons avec d'autres molécules du liquide. Les molécules de l'intérieur du liquide pourront faire des liaisons tout autour d'elles, tandis que les molécules de la surface, exposées au gaz, ne pourront faire de liaison qu'avec les molécules du liquide en dessous d'elle. Une molécule qui fait une liaison perd un peu d'énergie. Or une molécule tend vers l'état chimique le moins énergétique : les molécules à la surface du liquide auront donc moins l'occasion de faire baisser leur énergie par des liaisons que les molécules du centre du liquide. Pour tenter de compenser ces opportunités plus réduites de se lier, elles vont se lier beaucoup plus avec les molécules disponibles autour d'elles. C'est par ce phénomène que se crée la tension de surface. La surface est donc une zone plus énergétique que le milieu du liquide. Comme tout système cherche à avoir une énergie minimale, cette surface sera réduite au minimum pour réduire l'énergie excédentaire impliquée. Dans le vide, elle formera alors une sphère, qui offre une surface minimale à volume constant. Sous la forme d'une goutte, sur Terre, suivant son affinité avec la surface sur laquelle elle est posée, elle s'étalera plus ou moins, et formera une surface en dôme, un peu aplatie en raison de la gravité.
  9. 9. Cette surface forme une sorte de film en raison du surplus de liaisons. Par exemple, dans le cas de l'eau, ce sont les liaisons hydrogènes qui confèrent à l’eau sa force de cohésion (qui lui permet notamment de rester sous forme de goutte, que l’on peut observer le matin avec la rosée par exemple). Nous pouvons donc dire que plus il y a de liaisons hydrogènes, plus la cohésion de l’eau est importante, et plus il est difficile de la pénétrer. C’est cette cohésion qui explique le fait que des insectes (tels que les Gerris), ou des objets légers (trombones) puisse être posés sur la surface de l’eau sans qu’ils coulent; et que l’on puisse verser de l’eau dans un verre, jusqu’à ce que le niveau de l’eau dépasse les bords du verre, sans pour autant qu’elle ne coule. Dans le cas d'autres espèces chimiques, d'autres liaisons (plus ou moins fortes) assureront la cohésion du liquide. Dans le vide, on assiste au même phénomène : on sait que soumis au vide, une partie du liquide s'évapore (voir l'article Pression de vapeur saturante). Ainsi, la couche de gaz à faible pression qui environne la surface du liquide joue le même rôle. Cas particulier d'une bulle : Le liquide peut être sous la forme d'une pellicule ; cette pellicule est alors soumise à la pression du gaz des deux côtés. Si les forces d'attraction au sein du liquide sont faibles, la pellicule ne tient pas. À l'inverse, si ces forces sont fortes, la pellicule tient bien et a un comportement élastique (bulle de savon). Interface liquide/liquide[modifier | modifier le code] Lorsque deux liquides A et B sont miscibles, ils forment une seule phase. Par contre, s'ils sont non miscibles, ils forment deux phases distinctes. S'ils sont non miscibles, c'est que les molécules se repoussent. Les molécules situées à l'interface sont donc soumises : pour les molécules de A : à une attraction vers l'intérieur du liquide A ; à une répulsion de la part des molécules de B ; pour les molécules de B : à une attraction vers l'intérieur du liquide B ; à une répulsion de la part des molécules de A. On voit donc que la résultante des forces est située vers l'intérieur de chacun des liquides dans tous les cas. La forme de l'interface est donc déterminée par les forces d'attraction au sein des liquides, A/A et B/B ; la force de répulsion entre A et B ; la pesanteur le cas échéant. C'est le cas de l'eau et de l'huile, de la vinaigrette : soit l'huile forme une couche au-dessus de l'eau ; soit l'huile forme des gouttelettes au sein de l'eau (émulsion). Ligne triple : le contact solide – liquide – vapeur[modifier | modifier le code] On est souvent en présence de la ligne où se joignent trois interfaces, à la jonction de trois phases, par exemple solide/liquide/gaz. On appelle ligne triple cette jonction. Dans le cas où l'une des phases est solide, ce phénomène s'appelle mouillage et on appelle angle de contact l'angle entre l'interface fluide/fluide et la surface solide. Cet angle de contact est donné par la Loi de Young-Dupré. Une ligne triple s'observe couramment, par exemple dans les situations suivantes : goutte posée sur un solide ; goutte suspendue à un solide ; bord d'un verre. Les interactions liquide/gaz ont été décrites ci-dessus. De même, les molécules du liquide peuvent être attirées ou repoussées par les molécules du solide. La forme de l'interface au niveau du point triple va donc être déterminée par : la force d'attraction au sein du liquide ; l'attraction ou la répulsion de la part du solide ; la pression du gaz, et éventuellement l'attraction ou la répulsion par le gaz ;
  10. 10. la gravité. S'il y a attraction entre le liquide et le solide : la goutte posée sur le solide va avoir tendance à s'étaler ; la goutte suspendue va être retenue ; le liquide va remonter le long du verre (ménisque, capillarité). S'il y a répulsion entre le liquide et le solide : la goutte posée sur le solide va avoir tendance à « se regrouper », à prendre une forme sphérique ; la goutte suspendue va tomber ; le liquide va s'incurver vers le haut. Des composés permettent de diminuer la tension superficielle, ce sont des tensioactifs. Modélisation[modifier | modifier le code] La tension superficielle se mesure en newtons par mètre (N·m-1). On la définit comme la force qu'il faut appliquer par unité de longueur le long d'une ligne perpendiculaire à la surface d'un liquide en équilibre pour provoquer l'extension de cette surface, ou comme le travail exercé par cette force par unité de surface. L'unité de tension superficielle (N·m -1) est équivalente à des joules par mètre carré (J·m-2), qui correspondent à une unité d'énergie de surface. On peut définir cette énergie d'interface comme étant le surplus d'énergie chimique par rapport au cas où ces molécules se trouveraient à l'intérieur du liquide et non à sa surface. Le système tend à minimiser l'énergie de surface. Les agents de surface La propriété fondamentale des solutions aqueuses d'agents de surface est une adsorption préférentielle en surface et aux interfaces. Dans la pratique, cela signifie que leur concentration y est plus importante qu'au sein même de la solution. Les propriétés des agents de surface étant déterminées par leur structure, le caractère fondamental de ces produits est l'amphiphilie, c'est à dire la présence dans la molécule de deux groupements ayant des caractères de solubilité totalement différents: a. b. Un groupement soluble dans l'huile ou les solvants qui est dit lipophile. Un groupement soluble dans l'eau et insoluble dans l'huile qui est dit hydrophile. Tous les agents de surface sont conformes à ce schéma et le trait d'union de ces produits très différents est bien leur amphiphilie. Grâce à leur action sur la tension superficielle de l'eau, ils accélèrent très sensiblement la vitesse du nettoyage en permettant le mouillage, l'hydratation et le décollement rapide des souillures avant même qu'elles ne soient complètement dissoutes par les éléments minéraux contenus dans la solution détergente. Leur action est également très importante en désinfection car ce sont eux qui permettent le contact entre les principes désinfectants et les micro-organismes à détruire. On distingue quatres grands types de tensio-actifs: Non ioniques Anioniques Cationiques Ampholites
  11. 11. Tensio-actifs non ioniques L'hydrophylie est amenée par des groupements polaires tels que O, OH, CoNH. La plupart des tensio-actifs non ioniques utilisés dans les industries agro-alimentaires sont des produits de condensation d'un radical hydrophobe (qui est souvent un phénol ou un acide gras) et d'oxyde d'éthylène ou de propylène en présence de catalyseurs. Les dérivés d'oxyde d'éthylène sont les plus importants. Dans la pratique industrielle, il ne se forme pas un composé défini mais un mélange d'homologues plus ou moins éthoxylés. D'une façon générale, les agents de surfaces non ioniques moussent moins que les dérivés anioniques. Contrairement aux ioniques, la solubilité des non ioniques diminue lorsqu'on augmente la température alors qu'ils donnent à froid des solutions limpides, elles se troublent à partir d'une certaine température appelée température de trouble. Il est bon de remarquer que ce trouble correspond à une insolubilisation du produit, phénomène parfaitement réversible. On a constaté qu'au voisinage de cette température ces composés possèdent avec un pouvoir moussant minimum un pouvoir détergent maximum. Ces propriétés expliquent l'intérêt des non ioniques dans la fabrication des détergents à mousse contrôlée. Leur champs d'application se trouve encore élargi du fait de leur stabilité en eaux dures et dans une large gamme de pH, toutefois limitée vers les milieux les plus alcalins où ils ont tendance à relarguer par hydrolyse, tout comme ils s'insolubilisent dans les solutions salines très concentrées. Tensio-actifs anioniques Ce sont les plus utilisés à cause de leurs propriétés détergentes excellentes. Il en existe une multitude et leur nombre ne cesse de croître. Le type de tensio-actif anionique le plus ancien est le savon. A l'heure actuelle, les savons sont de plus en plus abandonnés au profit des produits de synthèse ou naturels, sulfonés ou sulfatés. Ils entrent dans la formulation des savons liquides pour les mains et pour les autres applications où le produit est en contact avec un épiderme (savon liquide moussant pour la mamelle des vaches). Certains acides gras s'adsorbent très fortement sur les surfaces. Ils seront donc un élément capital pour la lubrification des chaînes transporteuses. On reprochait aux tensio-actifs anioniques de mousser abondamment. Pendant très longtemps, ils n'ont pas pu être utilisés en aspersion. Aujourd'hui, des combinaisons judicieuses avec des non ioniques peu moussants ou antimousse permettent de les utiliser même en aspersion. Ils entrent dans la composition de beaucoup de produits d'entretien général. Leur pouvoir mouillant est augmenté par l'élévation de température, par contre, la présence d'électrolytes diminue cette propriété. Les grandes familles de tensio-actifs anioniques sont: i) Les sels des acides carboxyliques Ils sont préparés par saponification des corps gras ou par neutralisation d'acides gras. Ils se présentent à l'état solide (savons de sodium) ou pour des applications particulières à l'état liquide ou pâteux (savon de potassium, d'ammonium, de triéthanolamines). Les savons sont peu coûteux, stables en milieu alcalin, mais présentent l'inconvénient de précipiter avec des cations alcalino-terreux. L'utilisations des séquestrants permet maintenant d'éviter cette sensibilité aux eaux dures. Cependant, il existe aujourd'hui de nombreux anioniques ne présentant pas ce défaut qui sont souvent retenus de préférence aux savons.
  12. 12. ii) Les dérivés sulfonés Les alkylbenzènes sulfonates (ABS) sont les premiers détergents anioniques synthétiques qui ont été fabriqués industriellement. Ces ABS sont progressivement abandonnés en raison de leur biodégra-dabilité difficile liée à la structure ramifiée. Pour répondre aux législa-tions relatives à la biodégradabilité, de nouveaux procédés permettant la production d'alkylbenzènes à chaîne linéaire, ont été mis au point. Leur sulfonation conduit aux alkylbenzènes sulfonates linéaires (LAS). iii) Les dérivés sulfatés On les obtient en traitant l'alcool correspondant par H2 SO4 Les sulfates d'alcools gras sont en général de bons mouillants, de bons moussants, aux propriétés tensioactives très actives. iv) Les dérivés phosphatés Ils ont un excellent pouvoir dispersant. Tensio-actifs cationiques Ils possèdent un ou plusieurs groupements fonctionnels s'ionisant en solution aqueuse pour fournir des ions organiques chargés positivement et responsables de l'activité de surface. Du fait de leur coût de reviént élevé, ils sont généralement utilisés en désinfection. Leur formule générale est: R = longue chaîne hydrocarbonée; R1; R2; R3: groupes à faible poids moléculaire; X est un anion tel que Cl- ou Br-. Les industries alimentaires utilisent les dérivés cationiques surtout en tant que désinfectants. Ils sont utilisés, soit seuls soit en présence de formol qui pallie leur faiblesse vis-à-vis des bactéries gram-. Ils sont peu utilisés comme mouillants car ils sont trop réactifs avec les composés anioniques et sont trop sensibles à la présence des ions Ca++ et Mg++. Ils peuvent également être utilisés comme floculants.
  13. 13. Ce sont des agents mouillants excellents avec un pouvoir moussant important. Il faut donc prendre des précautions particulières pour contrôler le rinçage. Les composés d'ammoniums quaternaires sont stables en milieu acide et alcalin non oxydants. L'efficacité est maximum à pH 7 à 9 et vers 40 à 50° C. A partir de 80° C, ils sont détruits. Tensio-actifs amphotères Les tensio-actifs amphotères ou plus exactement les ampholytes possèdent un “zwitterion” (ou ion hybride) c'est-à-dire qu'ils forment en milieu acide des cations et en milieu alcalin des anions. Le caractère anionique des ampholytes est dû à la présence d'un groupe acide (CO 2H ou SO3H) et le caractère cationique à un groupe azote lié à une longue chaîne grasse. Un groupe intéressant d'amphotères tensio-actifs est constitué par les dérivés de la bétaine. On peut résumer les propriétés des tensio-actifs amphotères comme suit: Ils sont insensibles aux agents de dureté. Ils sont compatibles avec les électrolytes, les tensio-actifs anioniques et non ioniques. Ils sont compatibles avec la peau et les muqueuses. Ce sont des agents antimicrobiens. Leur sensibilité dépend du pH. http://www.fao.org/docrep/004/t0587f/T0587F03.htm

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