Qu’est-ce qu’un capillaire ?
Un capillaire est un tube étroit dans lequel se produit une action capillaire. La capillarité est le phénomène par lequel un liquide s’écoule dans un capillaire et se déplace dans le tube en raison de la tension superficielle du liquide et du mouillage contre la paroi interne du capillaire.
Ce phénomène est dû aux forces intermoléculaires entre le liquide et la surface solide environnante (par exemple le verre). Plus précisément, si le diamètre du tube capillaire est suffisamment petit, l’équilibre entre la tension superficielle du liquide et les forces d’adhésion entre le liquide et les parois du récipient est rompu, ce qui a pour effet de propulser le liquide.
C’est également le principe du phénomène de mouillage des pinceaux, des tubes fins, des matériaux poreux tels que le papier et le plâtre, le sable, etc. D’autres mécanismes font également appel à la capillarité. Par exemple, les plantes aspirent l’eau à partir de leurs racines et la transportent vers les cellules de l’ensemble du corps, et la capillarité fait également partie de ce mécanisme.
Exemples d’articles ménagers, de sciences et de technologies qui utilisent la capillarité
1. Exemples familiers de la capillarité
La capillarité a un effet très pratique dans notre vie quotidienne. Considérons son mécanisme de base dans l’opération consistant à essuyer de l’eau avec un torchon de cuisine.
La force d’attraction entre des substances similaires, comme entre les molécules d’eau, est appelée cohésion. En revanche, la force d’attraction entre des substances aux propriétés différentes, comme entre les fibres fines d’un essuie-tout et les molécules d’eau, est appelée force d’adhésion.
Si la force d’adhésion est supérieure à la force de cohésion, les molécules d’eau mouillent la surface des fibres de l’essuie-tout et sont donc attirées dans les espaces entre les fibres. Les molécules d’eau attirées sont alors attirées les unes vers les autres par les molécules d’eau avec lesquelles elles entrent en contact sous l’action de la force de cohésion.
Par conséquent, la molécule d’eau principale attire les molécules d’eau suivantes dans les espaces entre les fibres de l’essuie-tout. En raison de cette différence entre les forces de cohésion et d’adhésion, l’eau pénètre dans l’essuie-tout à un rythme constant.
2. L’action capillaire et la chromatographie sur couche mince
La chromatographie sur couche mince est un instrument de laboratoire chimique dans lequel une fine pellicule de gel de silice ou une autre phase stationnaire est appliquée sur une plaque de verre ou d’aluminium pour séparer des composés complexes. L’action capillaire est également utilisée avec succès dans cette technique analytique.
Plus précisément, cette technique analytique consiste à immerger l’une des extrémités d’une fine couche d’échantillon dans un solvant, ce qui provoque le déplacement du solvant du bas vers le haut de la fine couche, à travers les interstices de la phase stationnaire.
3. Adaptation à l’électrophorèse capillaire
L’électrophorèse capillaire est une méthode analytique permettant de séparer des composants à l’état de traces en injectant une solution d’échantillon électrolytique dans un tube capillaire en silice fondue et en procédant à l’électrophorèse.
Par rapport à la chromatographie telle que la CLHP ou l’électrophorèse, l’électrophorèse capillaire est une méthode analytique adaptée à la détection de composants à partir de petits volumes d’échantillons, car elle consiste en une très petite unité de séparation capillaire et ne nécessite généralement qu’environ 100 nl d’échantillon.
Dans cette méthode, le capillaire est d’abord immergé dans une solution tampon électrolytique avec une anode et une cathode connectées à chaque extrémité. Des groupes silanols (-SiOH) sont présents sur la paroi interne du capillaire, qui s’ionisent au contact de la solution tampon et prennent une charge négative.
Cette charge négative attire les substances chargées positivement de la solution tampon, formant une double couche électrique sur la surface de la paroi interne. L’application d’une tension dans cet état provoque le déplacement de la charge positive de la phase mobile à l’extérieur de la double couche électrique vers la cathode. Cela génère un flux de phase mobile appelé flux électroosmotique.
Dans l’électrophorèse capillaire, les substances chargées positivement se déplacent rapidement vers la cathode et sont donc détectées en premier. Les substances neutres et négatives qui ne se déplaceraient pas vers la cathode en raison de leurs seules propriétés électriques se déplacent également vers la cathode et sont détectées par le détecteur en raison du flux électro-osmotique qui se produit dans le capillaire.
On utilise généralement des capillaires d’un diamètre intérieur de 20 à 100 µm. Plus le diamètre intérieur est grand, plus la sensibilité de détection est élevée, de sorte que même des éléments à l’état de traces peuvent être détectés avec une grande sensibilité. En revanche, un diamètre intérieur plus petit améliore la résolution.
Principe de la capillarité dans les capillaires
Les capillaires (tubes fins et étroits) immergés dans l’eau forment un ménisque. La courbure de ce ménisque est d’autant plus grande (c’est-à-dire que le rayon de courbure est plus petit) que le tube est étroit. La courbure entraîne une différence de pression à l’interface entre le liquide et le gaz. Les liquides ayant un angle de contact prononcé (par exemple l’eau sur le verre) forment un ménisque concave, de sorte que la pression du liquide sous le ménisque est inférieure à la pression atmosphérique.
Par conséquent, l’eau dans le tube est poussée depuis sa position initiale par la pression plus élevée de l’eau à l’extérieur du tube (c’est-à-dire l’eau à la pression atmosphérique en dessous de l’interface horizontale air-eau) pour remonter le long du tube au même niveau.
Le mouvement ascendant s’arrête lorsque la différence de pression entre l’eau à l’intérieur du tube et l’eau sous le plan à l’extérieur du tube est contrecarrée par la pression hydrostatique exercée par la colonne d’eau à l’intérieur du tube capillaire.
Cela signifie que le niveau d’eau à l’intérieur du tube est plus élevé que l’eau à l’extérieur du tube et que les molécules d’eau sont capables de s’adsorber autour du tube et de rester à ce niveau d’eau en contradiction avec leur poids.
Comment les capillaires sont-ils fabriqués ?
Les capillaires sont fabriqués en chauffant le centre d’un tube de verre ou d’un autre objet en verre long et fin à l’aide d’un brûleur à gaz pour le ramollir, puis en le retirant rapidement de la flamme et en l’étirant vigoureusement avec les deux mains.
Immédiatement après avoir été étiré, le capillaire de verre est encore chaud, il faut donc laisser refroidir la zone autour de la partie chauffée. Après avoir vérifié que le tube de verre est revenu à température ambiante, coupez les parties inutiles à l’aide d’un outil de coupe tel qu’un coupe-ampoule.
Enfin, ajustez-le à la longueur qui vous convient et rangez-le dans un récipient approprié pour éviter qu’il ne se brise. Les tubes en verre peuvent être remplacés par des pipettes Pasteur. Le verre peut provoquer des coupures et des brûlures, c’est pourquoi il faut porter un équipement de protection et travailler avec précaution.