La tension superficielle

Une aiguille posée délicatement à plat sur l’eau flotte, alors que l’acier est près de huit fois plus dense. Un gerris, cet insecte aux longues pattes, court à la surface d’une mare. Une goutte de pluie est presque sphérique. Ces phénomènes ont une cause commune : la surface d’un liquide est sous tension, comme une peau élastique.

D’où vient-elle ?

Dans un liquide, chaque molécule est attirée par ses voisines dans toutes les directions : les forces se compensent. À la surface, une molécule n’a de voisines que d’un côté : elle est tirée vers l’intérieur. Les molécules de surface sont donc dans un état d’énergie plus élevé, et le liquide tend à minimiser sa surface pour réduire cette énergie.

Plus les attractions entre molécules sont fortes, plus la tension superficielle est élevée. Dans l’eau, les liaisons hydrogène entre molécules (voir liaisons chimiques) lui donnent une tension superficielle particulièrement forte pour un liquide courant.

La tension superficielle diminue quand la température augmente : l’eau chaude « mouille » mieux et nettoie plus facilement.

Pourquoi les gouttes sont rondes

À volume donné, la sphère est la forme qui a la plus petite surface. Livrée à elle-même, une goutte tend donc vers une sphère. Dans la Station spatiale internationale, en impesanteur, l’eau forme des boules parfaites. Sur Terre, les petites gouttes de pluie sont presque sphériques ; les plus grosses s’aplatissent en tombant sous l’effet de l’air, en forme de petit pain plutôt que de larme.

À l’intérieur d’une goutte ou d’une bulle, la pression est légèrement plus élevée qu’à l’extérieur : c’est la loi de Laplace. L’excès de pression est d’autant plus grand que la goutte est petite.

Les insectes qui marchent sur l’eau

Le gerris (ou araignée d’eau) répartit son faible poids sur de longues pattes couvertes de poils hydrophobes. La surface se creuse légèrement sous chaque patte, sans se rompre : la tension superficielle fournit une force qui soutient l’insecte. De la même façon, une aiguille ou un trombone posé à plat peut flotter. Mais ajoutez une goutte de liquide vaisselle : la tension chute et l’objet coule.

Mouillage et capillarité

Quand un liquide touche un solide, deux attractions entrent en compétition : celle des molécules du liquide entre elles (cohésion) et celle du liquide pour le solide (adhésion).

L’angle que fait la goutte avec la surface s’appelle l'angle de contact. Les surfaces hydrophobes (feuilles de lotus, plumes de canard, textiles déperlants) ont un angle de contact élevé ; certaines dépassent 150°, on parle de superhydrophobie et d’effet lotus.

La capillarité

Dans un tube très fin, un liquide qui mouille la paroi monte au-dessus du niveau extérieur ; celui qui ne la mouille pas, comme le mercure, descend. La hauteur d’ascension est inversement proportionnelle au rayon du tube (loi de Jurin) : dans un tube de verre de 0,1 mm de rayon, l’eau monte d’environ 15 cm.

La capillarité explique :

• la montée de l’eau dans un sucre, une éponge, un papier absorbant ou une mèche de bougie ;
• l’humidité qui remonte dans les murs des maisons anciennes ;
• une partie de la circulation de l’eau dans les sols et dans les vaisseaux fins des plantes, la montée de la sève dans les grands arbres reposant surtout sur la transpiration des feuilles.

Le savon et les tensioactifs

Les savons et détergents sont des tensioactifs (ou surfactants) : leurs molécules ont une tête qui aime l’eau et une queue qui la fuit. Elles se placent à la surface de l’eau et abaissent fortement sa tension superficielle. Conséquences :

• l’eau savonneuse mouille mieux les tissus et pénètre dans les fibres ;
• les molécules entourent les graisses en petites sphères (micelles), qui sont emportées par le rinçage ;
• on peut former des bulles stables : un film d’eau pure se romprait immédiatement.

Dans nos poumons, un tensioactif naturel, le surfactant pulmonaire, réduit la tension superficielle à la surface des alvéoles et les empêche de s’affaisser à chaque expiration. Son absence chez certains grands prématurés provoque une détresse respiratoire.

Les bulles de savon

Une bulle de savon est un film double très mince, de l’ordre du micromètre, qui prend une forme sphérique pour minimiser sa surface. Ses couleurs irisées viennent d'interférences entre la lumière réfléchie sur ses deux faces. Quand plusieurs bulles se touchent, leurs films se rejoignent toujours par trois, à 120° : ce sont les lois établies par le physicien belge Joseph Plateau au XIXe siècle.

Questions fréquentes

Pourquoi l’eau a-t-elle une tension superficielle élevée ?

Parce que ses molécules sont liées entre elles par des liaisons hydrogène, plus fortes que les attractions présentes dans la plupart des autres liquides courants. Seuls quelques liquides, comme le mercure, la dépassent nettement.

Pourquoi le savon fait-il couler une aiguille posée sur l’eau ?

Il abaisse fortement la tension superficielle : la surface ne peut plus supporter le poids de l’aiguille, qui coule alors normalement, l’acier étant beaucoup plus dense que l’eau.

Qu’est-ce que la capillarité ?

C’est la montée (ou la descente) d’un liquide dans un tube fin ou un matériau poreux, sous l’effet de la tension superficielle et de l’attraction entre le liquide et la paroi.

La tension superficielle dépend-elle de la température ?

Oui, elle diminue quand la température augmente, car l’agitation thermique affaiblit l’attraction entre les molécules. C’est l’une des raisons pour lesquelles on lave mieux à l’eau chaude.