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Submitted on 1 Jan 1958
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Un tensiographe photoélectrique
André Verain
To cite this version:
UN
TENSIOGRAPHE
PHOTOÉLECTRIQUE
Par ANDRÉ
VERAIN,
Laboratoire de Physique Médicale de l’Université d’Alger.
Résumé. 2014 L’auteur discute de certaines conditions que doit
remplir
un instrument destiné à mesurer la tension superficielle d’une solution et à enregistrer ses variations. Il indique le principed’appareils qu’il
a imaginés et décrit un systèmephotoélectrique
basé sur l’enregistrement continu de la lumière réfléchie sur un espaceplan-parallèle
danslequel
se produit l’ascensioncapillaire
duliquide.
Abstract. 2014 The author discusses some conditions to be met
by an instrument intended to
measure the surface tension of a solution and to record its changes The
principle
of devicesdeveloped by the author is
given,
and a photo-electric system based on the continuous recordingof the light reflected on a
plane-parallel
space in which theliquid
is rising bycapillarity
way isdescribed.
PHYSIQUE APPLIQUÉE 19, 1958,
On sait que la tension
superficielle
d’unliquide
pur est constante pour unetempérature
déter-minée. Celle des solutions est
beaucoup
moins bien définie : elle varie avec la concentration du corpsdissous
et,
pour une concentrationdonnée, peut
prendre
des valeurs fort différentes selonqu’on
emploie
pour la mesurer une méthodestatique
ou une méthodedynamique.
La tensionsuperficielle
d’une solution en mouvement est à peu
près
celle du solvant pur ; au repos elle tend vers une valeur minima ou maxima selon que,d’après
la théorie deGibbs,
le corps dissous se concentre à la surface(adsorption positive)
ou tend à s’enéloigner
(adsorption
négative).
Considérant que le
phénomène d’adsorption;
généralement réversible,
évolue assezlentement
etque d’autre
part
les corpsfortement
tensioactifs
sont d’ordinaire aisément
adsorbables,
il nous aparu intéressant de rechercher un
procédé
de mesurequi
nepuisse
troubler l’établissementpro-gressif
d’un étatd’équilibre
etpermette
de suivrede
façon
continue l’évolution de la T. S. Certaines méthodes doivent donc être écartées apriori :
celles parexemple
où l’on mesure la force nécessaire àl’arrachement d’un anneau
qui
troublentl’évo-lution vers un
équilibre
superficiel
et,
par leurprincipe même,
informent defaçon
discontinue ;
ilen est de même des méthodes
stalagmométriques.
, Une méthode
optique
mettant en évidence lesmodifications de la surface libre du
liquide
paraît
devoirapporter
à ceproblème
une solution satis-faisante.Nous avons tout d’abord étudié un
dispositif
dans
lequel
leliquide,
à étudier était contenu dansune
petite
cuvecylindrique
en verre, construite parla S. C. A.
D.,
de 10 mm de hauteur et de 14 mmde diamètre.
Un
disque
plan-parallèle
enconsti-tuait le
fond ;
il était soudégrâce
à unprocédé
n’altérant pas sa
qualité optique.
Il estpossible
de
parfaitement
nettoyer
une telle cuve aumélange
sulfo-chromique
cequi
assure l’excellente mouil-labilité de sesparois.
La surface libre duliquide
forme alors un
ménisque
concave dont la courburedépend,
entre autresfacteurs,
de la tension super-ficielle. Un faisceau de rayonsparallèles
dirigé
verticalement sur la
préparation
la traverse etpeut,être intercepté
par unephotopile
convena-blement
diaphragmée
et réunie à ungalvanomètre.
Si l’intensité de la source lumineuse est maintenue bien
constante,
le courantphotoélectrique
est,
toutes choseségales
parailleurs,
fonction dudegré
dedivergence
du faisceauémergent,
donc de la T. S. duliquide.
Quoique
cette méthode soit d’exécutionsimple
et que de nombreux essais nous aient
montré
le bien-fondé de sonprincipe,
nous n’avons pas per-sévérédans
cette voie pour les raisons suivantes :1,0 Les variations du courant
photoélectrique
nepeuvent
être considérées comme fonction linéairede la T. S.
qu’entre
d’étroites
limites de celle-ci. 20 Assez faible sensibilité.3° S’il est
possible
d’étalonnerl’appareil
avecdes témoins de T. S. connue, le résultat des mesures
ultérieures n’est pas très
précis ;
ilpeut
être grand-dement faussé parl’absorption
propre duliquide
’(trouble,
coloration).
’40 Nous ne
.disposions
alors ni desmoyens
d’enregistrement
ni desprocédés
d’amplification
depetits
courants que nous avons pu obtenirdepuis.
’Nous avons alors
sôngé
à mesurer,toujours
par unprocédé
photoélectrique,
la hauteur de la colonneliquide qui
s’élève dans un tubecapillaire.
La loi de Jurin
indique
en effet que cette hauteurest
proportionnelle
à la tensionsuperficielle
duliquide.
Lecapillaire
étant vivementéclairé,
onforme son
image
sur une fente derrièrelaquelle
estdisposée
laphotopile.
Quoique’
plus
encourageants
que ceux de la92 A
rnéthode
précédente,
les résultatsexpérimentaux
ne nous ont pas entièrement satisfait car
si,
commeon devait
s’y attendre,
le courantphotoélectrique
dépend
linéairement de l’ascension duliquide
dans lecapillaire,
l’écart des valeurs observées pour des ascensions très différentes restatoujours
assezfaible : le contraste n’est pas assez accusé entre la colonne
liquide
et l’airqui
la surmonte.Une
objection
plus
sérieusepeut
être élevéecontre cette méthode : les modifications de
concen-tration du corps tensioactif
qui,
pour une causequelconque,
seproduisent
dans la masse duliquide
doivent être transmises
jusqu’au
ménisque
pourproduire
à ce niveau une altération de la forceascensionnelle ;
or lalongueur
de la colonneliquide
dans lecapillaire
et sa faible section font obstacle àla diffusion
rapide
del’agent
modificateur. On nepeut
donc attendre uneréponse
rapide
d’untensio-grap4e
établi sur ceprincipe.
La
technique
àlaquelle
nous nous sommes arrêtétient
compte
de cesobservations, quoique toujours
basée sur l’ascension
capillaire.
Quand
onrepro-duit des
expériences
comme celles de Devaux et deLangmuir
où l’onpeut
observer l’étalement d’unetrace d’acide gras à la surface de
l’eau,
on estfrappé
par l’extraordinaire
rapidité
aveclaquelle
celui-ci s’étend pour former un film très mince. Lecarac-tère
quasi-explosif
de cette extension suffirait àjustifier
lacomparaison
queLangmuir
établit entrele
comportement
de telles couches minces noncomprimées
etl’expansion
des gaz. Dans untensio-graphe
basé sur l’ascensioncapillaire
ilimporte
donc que la « surface sensible » reste en relation de continuité avec la surface libre du
liquide.
Pouratteindre ce but il
suffit
desubstituer
au tubecapillaire
un espace étroit limité par deuxparois-
parallèles
ciparfaitement
mouillables. Leliquide
s’élève entreces
parois
et l’altitude duménisque
cylindrique
limitant vers le haut la lame soulevée estpropor-tionnèlle à la tension
superficielle.
Un teldispositif
offre de surcroîtl’avantage
depermettre
une mesureoptique
facile de l’ascension basée sur la réflexion totale quepeut
subir un faisceau lumineux sur la lame d’air surmontant la lameliquide.
Description
dutensiographe.
-L’espace
où seproduit
l’ascension est limité par la facehypo-ténuse d’un
prisme rectangle
P en verre, d’arêtes verticales et par une lame de verredépoli
P’ àfaces
parallèles.
L’espacement
est maintenu par uneFIG. 1.
sale
d’épaisseur
K. Nous avonsadopté
lesdimen-sions suivantes :
,
Hauteur du
prisme
et de la lame = 9 centimètresHauteur utile à l’ascension = 8 »
Espacement
0,04 »L’ensemble
peut
êtreaisément
nettoyé
parimmersion presque totale dans un
mélange
sulfo-chromique
concentré,
puis soigneusement
rincé. Unsupport
rigide
muni d’unencliquetage
àbille
main-tient ledispositif
àaltitude
constante,
au-dessus duliquide
àétudier ;
celui-ciemplit
presque à rasbord un
petit
cristallisoirqu’un
mouvement à cré-maillèrepermet
d’exhausserjusqu’à
ce que lasur-face libre mouille la section inférieure du
prisme.
Unsystème
optique
àlongue
focale donne d’unesource lumineuse linéaire S une
image
verticale S’dans
l’espace
laminaire où leliquide
monte parcapillarité jusqu’en
N. La lumière traverse laI.Ime
liquide
au-dessous de N tandisqu’au-dessus
de ceniveau elle subit la
réflexion
totale. Laphotopile
Fintercepte
la lumière réfléchie et le courantqu’elle
produit agit
sur ungalvanomètre enregistreur
àplume
encrée parl’intermédiaire
d’unamplifi-cateur
magnétique.
L’intensité de ce courant varieen raison inverse de l’altitude du niveau N.
Elle
est93 A
Réglage
etétalonnage.
- Ilest
indispensable
quel’émission de la source soit
parfaitement
constante :on
emploie
unelampe
à filament linéaire volon-tairementsous-voltée,
alimentée par une batteried’accumulateurs montrée en
tampon.
D’autrepart
unephotopile
F’ nonreprésentée
dans le schéma deprincipe
reçoit
directement la lumière issue de S àtravers un
diaphragme
réglable ;
montée enoppo-sition avec la cellule
F,
son rôle est de compenserles fluctuations résiduelles d’intensité de la
lampe.
On étalonnel’appareil
à l’aide deliquide
de T. S.connue. L’eau
(6
=72,8
dynes :
cm à+
20°C)
etl’acool absolu
(a
=22,8
dynes/cm
à+
20oC)
con-viennent bien car l’intervalle de leurs T. S.
couvre
un domainequ’on
ne déborde presquejamais.
On recherche la sensibilité maxima enFIG. 2.
réglant
legain
del’amplificateur
de telle sorte quecet intervalle occupe presque toute la
largeur
utile de labande
d’enregistrement.
’Il est alors
possible
d’enregistrer
l’évolution de là T. S. d’une solution : les ordonnées dechaque
point
dugraphique
peuvent
être déterminées parinterpolation
linéaire dans l’intervalle ainsi défini. Pour nous assurer que les in’dications dutensio-graphe
obéissent bien à une loilinéaire,
nous avonsopéré
le contrôle suivant : le niveau duliquide
dansle
cristallisoir est d’abord élevé aussi haut quepossible ;
on le faitbaisser
ensuite à vitesse -bienconstante en évacuant le
liquide
au moyen d’unsiphon capillaire
dont la branche ascendante estfixée à un
petit
flotteur. Dansl’espace éclairé,
le niveau N baisse à la même vitesse et l’onpeut
cons-tater sur la bande
d’enregistrement
que le dia-gramme I =f (t)
est une droite àpeu
près parfaite.
Expérimentation.
-94 A
FIG. 3.
validité
pouvait
êtrp
contestée,
d’unpoint
de vuequantitatif
du moins :10 Ainsi par
exemple,
Lecomte duNoüy
asignalé
quelorsqu’on ajoute
à de l’eau pure uncorps tensioactif on note une chute
rapide,
suivie d’une remontée lente de latension
superficielle.
L’évolution de ce
phénomène
nepeut
être suiviede
façon
bienprécise
avec le tensiomètre àarra-chement d’anneau
qu’employait l’expérimentateur
précité
car :’
a)
un intervalle de trente secondes au moinssépare
lespointés
successifs ;
1b)
chaque
mesureperturbe
l’arrangement
molé-culaire en cours d’établissement et de ce fait est
entachée d’erreur.
La
figure
2 montre unenregistrement,
avec notretensiographe,
de la tensionsuperficielle
de l’eauavant et
après
dépôt
dans le cristallisoir.Le minimum succédant à cette
adjonction
estatteint en 1 seconde et a pour valeur 42
dynes/cm.
La T. S. remonte ensuite lentement et n’atteint une
valeur stationnaire de
48,5 dynes/cm qu’après
aumoins 20 minutes.
20
L’adjonction
à l’eau dequantités
égales
d’un acide sulfoné aboutittoujours
à la même valeur finale de la T. S. mais le minimum est atteintbeaucoup plus rapidement
avec une solutionalcoo-lique qu’avec
une solution aqueuse duproduit.
30Quand
onajoute
àl’eau,
pargouttes
réguliè-rement
espacées,
une solution d’un çorpstensio-actif,
la T. S. décroît pargradins
de
moins enmoins
importants
et tend vers une valeur minimaconstante,
sans doute témoin d’une saturationsuperficielle.
Ce minimumpermanent, 6,
dépend
de la substance étudiée. Endésignant
par ao la tensionsuperficielle
du solvant pur onpeut
classer les corps tensioactifs selon les valeurs croissantes de leurpouvoir
dépresseur :
ao -0’/0’0.
La compa-raison dequelques
substancesréputées
fortement tensioactives nous a donné lesrésultats
suivants :OE dp - OE
dynes/cm
IUOAcide
cholique
47 0,36Alcool
caprylique
37 0,49Alcool octylique 33 0,55
50 La
comparaison
des valeurs obtenues parcette méthode avec celles mesurées par arrachement
d’un anneau
(tensiomètre
de Lecomte duNouy)
montre
toujours
un écartimportant
etsignificatif :
ainsi, après
une heure de repos, la T. S. d’unesolution d’un acide sulfoné était de 55
dynes/cm
par
arrachement contre 31dynes/cm
autensio-graphe. ,
’L’écart ne saurait
surprendre
si on considère que letensiographe
permet
une mesurestatique
alors quel’apposition puis
l’arrachement d’un anneauperturbent
lastratification
des molécules auvoisi-nage de la surface et conduisent à des valeurs inter-médiaires entre T. S.
