SUR LES SURFACES D'EAU

$S 1. Procédé optique. — Les matières superficielles flottant à l’état de traces sur l’eau peuvent être décelées très simplement par le procédé suivant.

Déposons sur une surface d'eau pure, contenue dans une cuvette photographique ordinaire (porcelaine), une petite quantité d'huile (trioléine) un peu inférieure à celle qui correspond à une couche monomoléculaire de la substance ; éclairons la cuvette à l’aide d’une source de petites dimensions (lampe à azote) située sur le côté (*) et examinons le fond blanc de cette cuve lorsqu'on souffle normalement à la surface soit avec la bouche, soit avec un jet d’air comprimé sortant d’un tube recourbé { (fig. 1). On observe sur le fond de la cuvette : 1° une tache obscure T produite par la dépression de la surface liquide sous le jet; 2° une circonférence brillante C, ayant cette tache pour centre et limitant une région intérieure exempte d'huile (en réalité, on observe sur -le fond de la cuve la projection conique d’un cercle de la surface, exempt d'huile).

Le mécanisme par lequel agit Le jet gazeux est le suivant : ce dernier communique à la surface un mouvement radial centrifuge ; les molécules d'huile sont entraînées vers la périphérie où elles forment une couche sensiblement monomoléculaire H, localisée en dehors d’un cercle à l’intérieur duquel il n’y a que des molécules d’eau. La circonférence brillante,

limitant ces deux régions, provient d’un ménisque liquide

(:) On peut aussi employer de la lumière parallèle (lumière solaire).

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dont la courbure produit une concentration de la lumière sur le fond de la cuvette.

Nous aurons, dans la suite, constamment recours à ce procédé d'investigation qui n’altère en aucune façon la surface à examiner et qui convient aussi bien à haute température qu’à la température ordinaire.

Le bourrelet liquide (f) à la surface de séparation de H et de l’eau pure n’apparaît que lorsque la tension superficielle de la surface commence à varier dans la région H. Lorsqu’on cesse de souffler, le rayon de ce bourrelet — et par conséquent du cercle C — diminue, ce qui prouve que la tension superficielle de l'eau pure, à l’intérieur du bourrelet, est légèrement supérieure à la tension de la surface extérieure. Si la densité initiale de la couche d'huile (?) est suffisamment inférieure à celle qui correspond à la couche monomoléculaire, cette circonférence s’évanouit avant que son rayon ne soit devenu nul. À ce moment, la tension superficielle de la surface H est égale à celle de l’eau pure.

Dans ces conditions opératoires, l’ouverture primitivement pratiquée par le souffle dans la couche d'huile subsiste un temps appréciable, mais généralement court, comme le montre l’expérience suivante : si l’on souffle, après un très petit intervalle de temps, en un endroit tout différent du premier et après évanouissement du cerele C, on constate que la première ouverture réapparaît (réapparition de C) et se referme complètement cette fois sous l’action du souffle qui agit pour ouvrir la surface au second endroit.

L'expérience faite sous cette forme est assez frappante : on voit que, pour pratiquer une nouvelle ouverture dans une couche monomoléculaire, il est nécessaire de refermer l’ancienne ouverture de même surface. L'aspect du phénomène

() Ce bourrelet, qui produit la concentration de lumière suivant C, est facile à observer par la méthode des stries de Tôpler.

(2) C’est à-dire la densité avant de souffler,

Mémoire Hexri LABROUSTE

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ne serait pas différent si, au lieu de molécules superficielles, flottaient sur la surface de l’eau une série de billes de liège en nombre insuffisant pour recouvrir ‘toute la surface.

Remarque. — Il convient d'ajouter que le bourrelet, signalé plus haut, ne se produit nettement que pour les couches monomoléculaires de substance donnant naissance, dès leur formation, à une diminution notable de tension superficielle. Dans le cas des corps qui abaissent à peine la tension superficielle de l’eau, comme l'huile de pétrole par exemple, on n'obtient pas de bourrelet nettement visible.

Cas de traces extrêmement faibles de matière étrangère. — Le phénomène se présente autrement lorsque la masse de l’impureté superficielle est notablement inférieure à celle de l’expérience précédente. Dans ce cas, si l’on souffle obliquement et à partir d’un des angles de la cuvette (angle en bas et à gauche, fig. 2). on observe sur le fond de celle-ci le phénomène suivant : une bande grise diffuse BB' s’avance sous l’action du souffle ; cette bande fonce graduellement au fur et à mesure que l’ensemble des molécules d'huile, chassées par le souffle, acquiert une densité de plus en plus grande. A un certain moment la bande devient une ombre noire, qui disparaît ensuite brusquement pour faire place à une ligne brillante (donnant un phénomène de même nature que celui qui a été décrit plus haut) ; à cet instant la couche monomoléculaire est constituée.

Cette ombre BB' est produite par des plissements de Îa surface sous l’action du souffle, plissements qui sont accentués par des variations locales de tension superficielle.

Cas d'une surface saturée. — Lorsqu'on dépose à la surface de l’eau une masse d'huile notablement supérieure à celle qui correspond à la couche monomoléculaire, on n'observe

ni ombre fonçant progressivement, ni ligne brillante. C'est

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en somme par des caractères négatifs que se reconnaît une surface saturée,

Résumé. — En résumé, si une surface est recouverte d'une couche d'huile de densité très supérieure à celle d'une couche monomoléculaire, on ne peut pas faire progresser d'ombre sur le fond de la cuve et on ne peut entr'ouvrir la couche superficielle, même en soufflant très fort. Si la densité est seulement un peu supérieure à celle d'une couche monomoléculaire, on peut ouvrir la couche superficielle en soufflant assez fortement, mais l'anneau C de la figure 1, qui reste de petit diamètre, se contracte immédiatement dès qu'on cesse de souffler. Lorsque la densité correspond à la couche monomoléculaire, le diamètre de l'anneau est plus grand : il se contracte encore dès qu'on cesse de souffler et s’évanouit avant que son diamètre ne soit devenu nul. Pour des densités inférieures à la précédente, on observe l'apparition des ombres (foncées lorsqu'on est au voisinage de la densité monomoléculaire, plus claires si la densité est très faible). On peut donc connaître instantanément et à tout moment l'état de propreté d’une surface sans emploi d'aucun appareil spécial et sans introduction sur cette surface d’aucune substance étrangère.

Tous les phénomènes décrits peuvent être montrés en pro- Jection (*), en utilisant une cuve de verre transparente et un appareil à projection horizontale; on observe alors des apparences complémentaires de celles qui ont été signalées.

$ 2. Autres procédés analogues. — A. — Le bourrelet de démarcation entre surface d'eau propre et surface salie peut être obtenu de bien d’autres manières qu’en soufflant sur la surface ; ilse forme dès que la densité superficielle de l’impureté devient beaucoup plus grande dans une région que dans les régions voisines.

, + . É 1° C'est ainsi qu’en promenant, par exemple, un agitateur

(!) Ces phénomènes ont été projetés à la séance annuelle de la Société française de physique (janvier 1914).

de verre à la surface d’une eau légèrement salie, on aperçoit facilement sur le fond diffusant de la cuve des lignes brillantes dont l’origine est la même que plus haut. Bien entendu, l'éclairage utilisé doit toujours être une source de petite dimension ou une source éloignée (soleil).

2? De même lorsqu'on dépose sur l'eau une gouttelette d’un liquide susceptible de s’étaler, on aperçoit fugitivement une ligne brillante qui s'avance très rapidement depuis le point touché jusqu'aux bords de la cuve.

3° On a vu ($ 1) que lorsqu'une ligne brillante vient de s'évanouir spontanément, on peut la faire réapparaître en soufflant sur une région voisine.

B. — On peut encore faire former le même bourrelet en plaçant une cuvette photographique sous la veine d’eau issue d’un robinet muni d’un brise-jet ou d’un tube de verre (fig. 3). Comme la cuvette photographique sera toujours plus ou moins grasse (si l’on n’a pas pris de précautions spéciales pour la nettoyer), on observera, ici encore, une ligne brillante L, mais, à l’inverse de ce qu'on observait quand on soufflait, l'huile se rassemble sous le jet en H, tandis que l'eau pure est à l'extérieur. Ce phénomène tient à la direction des courants de convection qui se produisent dans l'eau de la cuvette sous l’action du jet; on constate que, sous Île jet, l’eau s'enfonce verticalement dans la cuve, longe le fond en gagnant les bords, remonte le long des bords; une partie de l’eau déborde alors, tandis qu’une autre partie retourne sous le jet par la surface. Les molécules d'huile sont alors ramenées constamment sous le jet ou elles forment une plage stagnante qui peut se maintenir pendant des heures.

Une conséquence pratique, que l’on tire de cette expérience, est qu’on peut laver pendant très longtemps une cuvette sans enlever les parties huileuses ou grasses qui souillent la surface. Si l’on veut réaliser une surface propre, on doit arrêter l'écoulement du jet, renverser l’eau en dehors, puis remplir la cuve avec de l’eau nouvelle. En recommençant deux ou

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trois fois l'opération, on est assuré d'avoir une surface d'eau très propre, ne donnant plus lieu au phénomène précédent.

C. — Signalons encore un procédé distinct des précédents, fournissant le même bourrelet de démarcation : en déposant une goutte de benzine sur une surface portant une pellicule d'huile, on aperçoit sur le fond de la cuve de porcelaine la ligne brillante L limitant la surface huilée (fig. 4); l'huile forme alors une couche monomoléculaire H dans la région extérieure au bourrelet. La goutte de benzine se projette en G ; elle est elle-même entourée d’un deuxième bourrelet analogue : la région comprise entre G et H est la région d’étalement de la benzine. Les molécules de ce corps, en s’étalant sur l’eau, chassent les molécules d'huile ; la benzine ne dissout pas l'huile dans ces conditions.

S 3. Action des impuretés super ficielles sur le roulement des goutles. — Les couches monomoléculaires peuvent se manifester par d'autres phénomènes que ceux décrits précédemment. Signalons, par exemple, leur action sur le roulement des gouttelettes d'eau à la surface de l’eau.

On sait que ces phénomènes de roulement ont été étudiés avec beaucoup de soin par Gossart({); cet auteur n’a cependant jamais réussi à obtenir régulièrement le roulement des gouttes d'eau sur l’eau, ni des gouttes de solutions aqueuses sur ces mêmes solutions. L'expérience nous a montré que pour obtenir le roulement de ces liquides, il suffit de réaliser une surface exempte d’impuretés : le roulement devient impossible lorsque la surface sous-jacente porte une couche monomoléculaire de substances étrangères (?).

(!) Eu. Gossarr, Caléfaction et capillarité, Ann. de Chimie et de Phys., 7e série, t. IV, mars 1805.

(2) Pot que cette couche abaisse ARRET la tension superficielle à partir du moment où elle est formée (voir $ 1, Remarque); dans le cas d'une pellicule de pétrole, le roulement est peu affecté par la présencé de la couche.

TRANSFORMATIONS MOLÉCGULAIRES [l 71