NYA_Labo9_tension_superficielle_H2008.doc

Laboratoire 9 : Détermination de la tension superficielle de quelques liquides

1

Détermination de la tension superficielle superficielle de quelques quelques liquides liquides OBJECTIF GÉNÉRAL : •

Déterm Détermine inerr la tensio tension n superf superfici iciell ellee de l’eau, l’eau, du méthan méthanol, ol, de l’éth l’éthylè ylène ne glycol glycol et de l’hexane à l’aide de deux méthodes différentes.

OBJECTIFS SPÉCIFIQUES : • •

Appliquer Appliquer la méthode méthode de l’ascension l’ascension capillaire capillaire et la méthode du volume volume de goutte goutte pour la détermination de la tension superficielle.

•

tiliser correctement une !alance analytique et une pipette graduée.

•

Déterminer le rayon interne d’un capillaire.

•

"ffectuer la conversion dyn#cm vers m$#m.

•

•

1.

Définir la tension superficielle.

%ompa %ompare rerr la fia! fia!ililit itéé des des méth méthod odes es util utilis isée éess pour pour la déte déterm rmin inat atio ion n de la tens tensio ion n superficielle. "xpliquer les valeurs de tension superficielle des liquides sur la !ase de leur structure moléculaire

PRÉPARATION DU DU LABORATOIRE

RÉPONDRE AUX QUESTIONS SUIVANTES SUR UNE FEUILLE SÉPARÉE : 1. &1 pt' (ontrer par une conve conversion rsion d’unités d’unités qu’une qu’une tension tension superficielle superficielle exprimée exprimée en m$#m a une valeur identique à celle exprimée en dyn#cm. ). &) pts' *ors *ors d’une d’une expérien expérience ce de déterm détermina inatio tion n de la tensio tension n superfi superficie cielle lle d’un liquide liquide à l’aide de la méthode de l’ascension capillaire, on a trouvé que le méthanol &à )+, -%' s’élève à une hauteur de 1,) cm dans un capillaire dont le rayon interne est de ,+ cm. %alculer la tension superficielle de ce liquide en dyn#cm. &/nclure les calculs.' 0. &) pts' *ors *ors d’une d’une expérien expérience ce de déterm détermina inatio tion n de la tensio tension n superfi superficie cielle lle d’un liquide liquide à l’aide de la méthode du volume de goutte, on a trouvé que , ml d’éthylène glycol formait &à ) -%' 1+ gouttes à la sortie d’une pipette dont le diamètre extérieur est de ,20 cm. %alculer la tension superficielle de ce liquide en dyn#cm. &/nclure les calculs.' calc uls.'

Chimie générale (202-N!-0"# -$%# -&'

)i*er 200+

)

2.


PRINCIPES THÉORIQUES

La tension superficielle

*a tension superficielle &sym!ole 3 γ' d’un liquide est une des conséquences des attractions intermoléculaires. "n effet, comme les molécules s’attirent entre elles, une molécule donnée possède une énergie potentielle d’autant plus !asse qu’elle est entourée d’un plus grand nom!re de voisines. 4r, une molécule située à la surface d’un liquide possède moins de voisines qu’une autre molécule située à l’intérieur. /l s’ensuit que les molécules situées à la surface possèdent une énergie potentielle plus élevée que celles situées à l’intérieur. 5ar conséquent, un liquide aura tendance à prendre une forme o6 le rapport surface#volume est le plus petit possi!le, c’est7à7dire la sphère. %’est ce qui explique, par exemple, la forme des gouttes de pluie. 4n peut dire, en simplifiant quelque peu, que la tension superficielle est la résistance qu’un liquide oppose à l’augmentation de sa surface. 5our 8tre plus précis, on appelle énergie superficielle l’énergie nécessaire pour augmenter la surface d’un liquide. *es unités de cette énergie sont donc les 9#m ) dans le système international. %omme l’énergie est le produit d’une force par une distance &1 9 : 1 $;m', ces unités peuvent 8tre converties en $#m. %’est cette force que l’on nomme la tension superficielle. *es valeurs de tension superficielles sont telles qu’il est usuel de les exprimer en m$#m, comme on peut le voir dans le ta!leau 1.

Tablea 1. Te!"#$! "%e&'#(#elle )e" l#*#)e" +,)#+" )a!" (e,,e e-%+&#e!(e *iquide = eau méthanol éthylène glycol hexane

1,?? )),> >,?? 1>,?

@aleurs mesurées à )+-%. ource 3 )andboo, of Chemistr and &hsics , 0e éd., p. 271 à 271+

1

Dans la présente expérience, on devra mesurer des valeurs de hauteur et de diamètre B pour la commodité, on utilisera des règles graduées en centimètres. De plus, on utilisera le gramme pour unité de masse comme on le fait ha!ituellement en chimie. 4n aura donc )i*er 200+


0


recours au système cgs ¢imètre, gramme, seconde' au lieu du système international. Dans ce système, l’unité de force est la dyne &sym!ole 3 dyn' o6 1 dyn : 1 g;cm#s ). Dans ce système, la tension superficielle a donc pour unités les dyn#cm. %eci ne présente aucun inconvénient puisque, sachant que 1 $ : 1 Cg;m#s ), il est facile de convertir les dyn#cm en m$#m. De plus, lorsqu’on effectue cette conversion, on constate que la valeur numérique de la tension superficielle est la m8me dans les deux systèmes d’unités. La méthode du volume de la goutte

*orsqu’un ro!inet n’est pas complètement fermé, il se forme des gouttes à son extrémité. *’eau ne s’écoule pas en continu 3 chaque goutte doit d’a!ord atteindre une certaine taille avant de se détacher du ro!inet et tom!er. /l en est ainsi à cause de la tension superficielle. "n effet, pour se détacher du ro!inet, la goutte doit se déformer d’une manière telle que sa surface augmente. %omme l’eau résiste à l’augmentation de sa surface, la goutte ne tom!era que si elle a atteint une masse asse grande pour vaincre la tension superficielle. %’est donc dire que la taille maximale d’une goutte d’eau dépend de la valeur de la tension superficielle de l’eau. 4n peut tirer profit de ce phénomène pour déterminer expérimentalement la tension superficielle d’un liquide. *a technique consiste à laisser s’écouler, goutte à goutte et lentement, un volume connu du liquide étudié et de dénom!rer les gouttes formées. "n mesurant le volume de liquide qui s’est écoulé et le nom!re des gouttes formées, on peut calculer le volume d’une goutte. %elui7ci dépend par ailleurs du rayon extérieur de l’orifice d’o6 s’écoule le liquide &voir fig. 1'. *’instrument utilisé doit donc comporter une extrémité de forme cylindrique dont le rayon extérieur est facilement mesura!le.

F#&e 1. F$&/a,#$! )0!e $,,e  l0e-,&+/#,+ )0! (l#!)&e *a tension superficielle sera calculée à l’aide de l’équation suivante 3


)i*er 200+



Laboratoire 9 : Détermination de la tension superficielle de quelques liquides γ :

o6 3

γ 3

mg r

E Fd

tension superficielle &dyn#cm'

m 3 masse de la goutte &g' g 3 accélération gravitationnelle &?1 cm#s )' r 3 rayon extérieur de l’extrémité de l’instrument o6 se forme la goutte &cm' Fd 3 fonction empirique &sans unité' *a masse de la goutte sera calculée à l’aide de la masse volumique du liquide étudié et du volume d’une goutte. 5ar ailleurs, F d est une fonction déterminée empiriquement de @#r 0 &le volume d’une goutte &en cm0' divisé par le rayon &en cm' au cu!e'. 5our o!tenir de meilleurs résultats, il est préféra!le que le rapport @#r0 soit une valeur située entre 1 et 0. *’instrument qui contiendra le liquide doit donc 8tre choisi en conséquence. Dans cette expérience, on utilisera une pipette graduée inversée. 5our chaque liquide, on choisira la valeur de F d correspondant à la valeur de @#r0 la plus proche de celle o!tenue expérimentalement. *e ta!leau ) présente des valeurs de F d.

Tablea 2. Vale&" e/%#&#*e" )e F) @#r0

Fd

&s.u.'

&s.u.'

),??+

,)21

),20>

,)2)

),01

,)2

),?0

,)2+

1,>2

,)22

1,)

,)2+

1,)11

,)2

1,1)

,)20

1,

,)2)

La méthode de l’ascension capillaire

)i*er 200+


+


i les attractions entre les molécules d’un liquide et un solide sont plus grandes que les attractions entre les molécules du liquide, on dit que le liquide G mouille H le solide. Dans ce cas, le liquide, lorsqu’il est mis en contact avec ce solide, cherche à augmenter la surface de contact entre lui et le solide. %’est ce qui explique la formation d’un ménisque dans un tu!e de verre, par exemple une !urette, contenant de l’eau. i l’on plonge un capillaire &un tu!e dont le rayon intérieur est très petit' dans un liquide, il se formera donc un ménisque à l’intérieur de ce capillaire. 4r, la formation de ce ménisque implique que la pression du liquide sous la surface du ménisque est inférieure à la pression ailleurs dans le liquide. /l en résulte que le liquide monte à l’intérieur du capillaire Iusqu’à ce que la masse de liquide qui s’est élevé compense exactement la différence de pression. &@oir fig. )'

F#&e 2. A"(e!"#$! (a%#lla#&e *a force qui entraJne le liquide vers le haut dépend de la tension superficielle 3 elle est égale à )πrγ &o6 r est le rayon interne du capillaire'. K l’équili!re, elle est égale à la force gravitationnelle qui s’applique sur l’eau qui est montée dans le capillaire, mg. %omme le capillaire est cylindrique et le volume d’un cylindre est donné par @ : πr)h, la masse de l’eau qu’il contient est égale à πr)hρ. 4n peut donc écrire 3 )πrγ : πr)hρg γ : Lhr ρg


)i*er 200+

2


o6 3

γ 3

tension superficielle &dyn#cm'

h 3 hauteur de l’ascension du liquide dans le capillaire &cm' r 3 rayon interne du capillaire &cm' 0 ρ 3 masse volumique du liquide &g#cm ' g 3 accélération gravitationnelle &?1 cm#s )' &$ote 3 1 g#cm0 : 1 g#ml' n capillaire étant par définition très étroit, il serait trop imprécis de déterminer son rayon interne en le mesurant directement. K la place, on y introduira de l’eau distillée et on mesurera la longueur de la partie du capillaire qui contient de l’eau de m8me que la masse de cette quantité d’eau. %onnaissant la masse volumique de celle7ci &ta!leau 0.1 au dé!ut du texte de la!oratoire', on calculera le volume d’eau contenue dans le capillaire. 4n se servira ensuite de la formule du volume d’un cylindre &voir ci7dessus' pour isoler r. Les liquides utilisés

Dans cette expérience, nous déterminerons la tension superficielle de l’eau, du méthanol &%M04M', de l’éthylène glycol &%M )4M%M)4M' et de lNhexane &% 2M1', dont les valeurs acceptées sont présentées dans le ta!leau 1. *es masses volumiques sont nécessaires aux calculs. %elles de l’eau et du méthanol sont présentées dans des ta!leaux au dé!ut du texte de la!oratoire. %elles de l’éthylène glycol et de l’hexane sont, respectivement, de 1,110+ g#cm0 &à ) -%' et ,220 g#cm0 &à ) -%'. %omme la tension superficielle est une conséquence des attractions intermoléculaires, il va de soi que les valeurs mesurées dépendent essentiellement des caractéristiques de la structure moléculaire des composés étudiés. 4n peut donc interpréter les mesures en termes de polarisa!ilité de la molécule &qui elle7m8me dépend de la taille du nuage électronique' et de présence, selon le cas, de ponts hydrogène. *es structures moléculaires des composés étudiés dans cette expérience sont présentées à la figure 0.

)i*er 200+



Ea

>

É,3l4!e l($l

He-a!e

5+,3a!$l

F#&e 6. S,&(,&e /$l+(la#&e )e" l#*#)e" +,)#+"

6.

PROCÉDURE

A) Mesure de la tension superficielle de l’eau A1) Méthode de l’ascension capillaire

1.

@erser environ 1 ml dNeau distillée dans une éprouvette propre et sèche.

).

Fixer cette éprouvette à l’aide d’une pince plate.

0.

Descendre lentement une pipette 5asteur dans l’eau. (esurer la hauteur de l’ascension de l’eau dans la pipette &la valeur de h dans la figure )' et inscrire cette valeur dans le ta!leau 0. 5our o!tenir une lecture vala!le pour G h H, il faut introduire la pipette 5asteur au fond de l’éprouvette et la remonter lentement Iusqu’à ce que l’extrémité de pa pipette soit proche du niveau du liquide dans l’éprouvette. %eci a pour effet de rendre la valeur de G h H reproducti!le. 4n doit répéter l’opération plusieurs fois pour 8tre certain de noter une valeur reproducti!le.

.

O! ,#l#"e&a la /7/e %#%e,,e )e Pa",e& %$& (3a(! )e" *a,&e l#*#)e" +,)#+" )a!" (e,,e e-%+&#e!(e.

Oetirer la pipette de 5asteur B un peu d’eau restera dans la pipette.


)i*er 200+

 +.


(esurer hauteur de la colonne d’eau contenue dans la pipette de 5asteur, une fois celle7ci sortie de l’eau. Mauteur de la colonne d’eau 3 PPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPP

2. >.

.

(esurer la température de l’eau dans le !écher de + ml.
Tablea 6. 5e"&e" )e l0a"(e!"#$! (a%#lla#&e *iquide = eau méthanol éthylène glycol hexane

Mauteur de l’ascension du liquide cm

A2) Méthode du volume de goutte

?.

K l’aide d’un pied à coulisse &voir fig. ', mesurer le diamètre extérieur de l’extrémité supérieure &l’extrémité la plus large' d’une pipette de ) ml graduée au ,1 ml. Diamètre de l’extrémité supérieure de la pipette de ) ml 3 PPPPPPPPPPPPPPPPPPPP

)i*er 200+


?


F#&e 8. P#e)  ($l#""e 1.

/nsérer la pointe de cette pipette dans un tu!e de 5%@ &polychlorure de vinyle' long de 1 cm environ. aisir le tu!e de 5%@ avec une pince Da pinchcoc, &voir fig. +'.

11.

Oéaliser le montage illustré à la figure 2 3 fixer  l0e!9e&" cette pipette à la m8me pince que précédemment B a!aisser la pipette dans le !écher de + ml.

1).

K l’aide d’une poire, faire monter l’eau dans la pipette Iusqu’à la graduation 1,? ml environ. $oter au ta!leau  le volume initial. Ce,,e /a!#%la,#$! e", )+l#(a,e. Il

10.

"n desserrant très légèrement la pince, bea($% )e %&+(a,#$! %$& laisser le liquide s’écouler lentement, à un +9#,e& *e le l#*#)e !e "0+($le ,&$% &a%#)e/e!,. Il e", (e%e!)a!, rythme d’une goutte par 1 ou ) secondes B 'a(#le )e &e($//e!(e& a""# compter les gouttes et arr8ter l’écoulement "$9e!, *e !+(e""a#&e %$& lorsque le niveau de liquide s’approche de l0$b,e!,#$! )0! e""a# "a,#"'a#"a!,. la graduation  sur la pipette. $oter le volume final et le nom!re de gouttes dans le ta!leau .


La %#%e,,e e", %la(+e  l0e!9e&" %$& *e l0$&#'#(e )e la "$&,#e ) l#*#)e a#, ! )#a/4,&e a%%&$%&#+

'a, )e""e&&e& la %#!(e a9e(

)i*er 200+

1


F#&e . P#!(e Day pinchcock

F#&e ;. 5$!,ae %$& la /+,3$)e ) 9$l/e )e $,,e

)i*er 200+


11


Tablea 8. 5e"&e" %$& le 9$l/e )e" $,,e" *iquide = eau méthanol éthylène glycol hexane

@ initial ml

@ final

$om!re de

ml

gouttes s.u.

) Mesure de la tension superficielle du méthanol 1) Méthode de l’ascension capillaire

1.

@erser environ 1 ml de méthanol dans un !écher de + ml propre et sec.

).

(esurer la température du méthanol dans le !écher de + ml.
0.

%onditionner la pipette de 5asteur avec du méthanol &utiliser une poire à pipette de 5asteur'.

Le /+,3a!$l< l0+,3l4!e l($l e, l03e-a!e )$#9e!, 7,&e 9e&"+" )a!" le &+(#%#e!, )e &+(%+&a,#$! a%&4" "ae.

.

(esurer la hauteur de l’ascension capillaire de la m8me faQon que précédemment et inscrire la lecture dans le ta!leau 0.

Pe"e& l0ea ($!,e!e )a!" le (a%#lla#&e a9a#, %$& b, )e (al(le& "$! &a$! #!,e&!e. Il !e "e&,  &#e! )e &e'a#&e (e,,e $%+&a,#$! a9e( le" a,&e" l#*#)e". 2) Méthode du volume de goutte

+.

K l’aide d’un pied à coulisse, mesurer le diamètre extérieur de l’extrémité supérieure d’une pipette de 1 ml graduée au ,1 ml. Diamètre de l’extrémité supérieure de la pipette de 1 ml 3 PPPPPPPPPPPPPPPPPPPP


)i*er 200+

1)


2.

Oéaliser le m8me montage que précédemment &fig. 2', mesurer le volume initial, le volume final et le nom!re de gouttes, puis inscrire ces lectures dans le ta!leau .

!) Mesure de la tension superficielle de l’éthyl"ne glycol !1) Méthode de l’ascension capillaire

1.

@erser environ 1 ml d’éthylène glycol dans un !écher de + ml propre et sec.

).

%onditionner la pipette de 5asteur avec de l’éthylène glycol.

0.


!2) Méthode du volume de goutte

. +.

%onditionner la pipette de 1 ml avec de l’éthylène glycol. Oéaliser le m8me montage que précédemment &fig. 2', mesurer le volume initial, le volume final et le nom!re de gouttes, puis inscrire ces lectures dans le ta!leau .

D) Mesure de la tension superficielle de l’he#ane D1) Méthode de l’ascension capillaire

1.

@erser environ 1 ml d’hexane dans un !écher de + ml propre et sec.

).

%onditionner la pipette de 5asteur avec de l’hexane.

0.


D2) Méthode du volume de goutte

. +. 2.

%onditionner la pipette de 1 ml avec de l’ hexane. Oéaliser le m8me montage que précédemment &fig. 2', mesurer le volume initial, le volume final et le nom!re de gouttes, puis inscrire ces lectures dans le ta!leau . Assécher la pipette avec le fusil à air comprimé.

)i*er 200+


10


C3#/#e +!+&ale H=>? C$/%,e &e!) ) lab$&a,$#&e @ D+,e&/#!a,#$! )e la ,e!"#$! "%e&'#(#elle )e *el*e" l#*#)e"

$oms 3

PPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPP PPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPP

Rroupe 3

PPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPP

Tablea 1. Le(,&e" !+(e""a#&e"  la )+,e&/#!a,#$! )e la ,e!"#$! "%e&'#(#elle )e *el*e" l#*#)e"  l0a#)e )e la /+,3$)e )e la"(e!"#$! (a%#lla#&e *iquide

Mauteur de la colonne de liquide dans le capillaire

(asse volumique

S

cm

g#cm0

S

±

S

eau méthanol éthylène glycol hexane

Tablea 2. 5e"&e" !+(e""a#&e"  la )+,e&/#!a,#$! ) &a$! #!,e&!e ) (a%#lla#&e (esure

@aleur

*ongueur de capillaire contenant de l’eau (asse de l’eau contenue dans le capillaire

)i*er 200+

1


Tablea 6. Le(,&e" !+(e""a#&e"  la )+,e&/#!a,#$! )e la ,e!"#$! "%e&'#(#elle )e *el*e" l#*#)e"  l0a#)e )e la /+,3$)e ) 9$l/e )e $,,e *iquide

@olume initial

@olume final

$! de gouttes

r

S

cm0

cm0

s.u.

cm

S

±

S

±

±

r 3 rayon extérieur de la pipette

Tablea 8. D+,e&/#!a,#$! )e la '$!(,#$! F) %$& (3a*e l#*#)e *iquide

@olume d’une goutte

@#r 0

Fd

S

cm0

s.u.

s.u.

)i*er 200+


1+


Tablea . Te!"#$!" "%e&'#(#elle" (al(l+e" e, a((e%,+e" *iquide

γ &ascension

S

capillaire'

m$#m

γ &volume

de goutte'

m$#m

γ acceptée

m$#m

Oayon interne du capillaire :

1. Cal(l" •

Oayon interne du capillaire 3

•


)i*er 200+

12


•

(asse d’une goutte d’eau 3

•

@#r0 pour l’eau 3

•

)i*er 200+



1>

2. A!al"e )e" &+"l,a," $uide des sciences e#périmentales "e(,#$!" 1.12.2< .2.1 e, .

1. Tuelle est la cause d’erreur principale dans la détermination de la tension superficielle avec la méthode de l’ascension capillaire U

). Tuelle est la cause d’erreur principale dans la détermination de la tension superficielle avec la méthode du volume de goutte U

0. "st7ce qu’une des deux méthodes sem!le plus fia!le que l’autre U 9ustifier.


)i*er 200+

1


. "xpliquer les valeurs de tension superficielle des liquides étudiés sur la !ase de leur structure moléculaire.

)i*er 200+


NYA_Labo9_tension_superficielle_H2008.doc

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