11.5: Tensione superficiale, azione capillare e viscosità

Tensione superficiale

I vari IMF tra molecole identiche di una sostanza sono esempi di forze coese. Le molecole all’interno di un liquido sono circondate da altre molecole e sono attratte ugualmente in tutte le direzioni dalle forze coese all’interno del liquido. Tuttavia, le molecole sulla superficie di un liquido sono attratte solo da circa la metà di quante molecole. A causa delle attrazioni molecolari squilibrate sulle molecole di superficie, i liquidi si contraggono per formare una forma che riduce al minimo il numero di molecole sulla superficie, cioè la forma con la superficie minima. Una piccola goccia di liquido tende ad assumere una forma sferica. Questo perché il rapporto tra superficie e volume è minimo in una sfera. Le gocce più grandi sono più fortemente influenzate dalla gravità, dalla resistenza all’aria, dalle interazioni superficiali e così via e, di conseguenza, sono meno sferiche.

La tensione superficiale è definita come l’energia necessaria per aumentare la superficie di un liquido o la forza necessaria per aumentare la lunghezza di una superficie liquida di una determinata quantità. Questa proprietà deriva dalle forze coese tra molecole sulla superficie di un liquido e fa sì che la superficie di un liquido si comporti come una membrana di gomma tesa. Tra i liquidi comuni, l’acqua presenta una tensione superficiale nettamente elevata a causa del forte legame idrogeno tra le sue molecole. Come risultato di questa elevata tensione superficiale, la superficie dell’acqua rappresenta una pelle relativamente “dura” in grado di sopportare una forza considerevole senza rompersi. Un ago d’acciaio posto con cura sull’acqua galleggerà. Alcuni insetti, anche se sono più densi dell’acqua, si muovono sulla sua superficie perché sono supportati dalla tensione superficiale.

Forze adesive e coese

Gli IMF di attrazione tra due diverse molecole sono chiamati forze adesive. Considera cosa succede quando l’acqua entra in contatto con una certa superficie. Se le forze adesive tra le molecole d’acqua e le molecole della superficie sono deboli rispetto alle forze coese tra le molecole d’acqua, l’acqua non “bagna” la superficie. Ad esempio, l’acqua non bagna superfici ceretta o molte plastiche come il polietilene. Le goccioline d’acqua si formano su queste superfici perché le forze coese all’interno delle gocce sono maggiori delle forze adesive tra l’acqua e la plastica. L’acqua si diffonde sul vetro perché la forza adesiva tra acqua e vetro è maggiore delle forze coese all’interno dell’acqua. Quando l’acqua è confinata in un tubo di vetro, il suo menisco (superficie) ha una forma concava perché l’acqua bagnata il vetro e si insinua sul lato del tubo. D’altra parte, le forze coese tra gli atomi di mercurio sono molto più grandi delle forze adesive tra mercurio e vetro. Il mercurio, quindi, non bagna il vetro e forma un menisco convesso quando confinato in un tubo perché le forze coese all’interno del mercurio tendono a disegnarlo in una goccia.

Azione capillare

Se un’estremità di un tovagliolo di carta viene posta nel vino versato, il liquido assorbe l’asciugamano di carta. Un processo simile si verifica in un asciugamano di stoffa quando lo si utilizza per asciugarsi dopo una doccia. Questi sono esempi di azione capillare – quando un liquido scorre all’interno di un materiale poroso a causa dell’attrazione delle molecole liquide sulla superficie del materiale e su altre molecole liquide. Le forze adesive tra il liquido e il materiale poroso, combinate con le forze coese all’interno del liquido, possono essere abbastanza forti da spostare il liquido verso l’alto contro la gravità.

Gli asciugamani assorbono liquidi come l’acqua perché le fibre di un asciugamano sono fatte di molecole attratte da molecole d’acqua. La maggior parte degli asciugamani di stoffa sono fatti di cotone e gli asciugamani di carta sono generalmente fatti di pasta di carta. Entrambe consistono in lunghe molecole di cellulosa che contengono molti gruppi −OH. Le molecole d’acqua sono attratte da questi gruppi −OH e formano legami idrogeno con loro, il che attira le molecole di H2O sulle molecole di cellulosa. Anche le molecole d’acqua sono attratte l’una dall’altra, quindi vengono elaborate grandi quantità di acqua le fibre di cellulosa.

L’azione capillare può verificarsi anche quando un’estremità di un tubo di piccolo diametro è immersa in un liquido. Se le molecole liquide sono fortemente attratte dalle molecole del tubo, il liquido si insinua all’interno del tubo fino a quando il peso del liquido e le forze adesive sono in equilibrio. Più piccolo è il diametro del tubo, maggiore è la salita del liquido.

Viscosità

Quando versi un bicchiere d’acqua o riempi un’auto di benzina, l’acqua e la benzina scorrono liberamente. Ma quando versi sciroppo sui pancake o aggiungi olio a un motore per auto, lo sciroppo e l’olio motore non scorrono così facilmente. La viscosità di un liquido è una misura della sua resistenza al flusso. Acqua, benzina e altri liquidi che scorrono liberamente hanno una bassa viscosità. Miele, sciroppo, olio motore e altri liquidi che non scorrono liberamente hanno viscosità più elevate. Possiamo misurare la viscosità misurando la velocità con cui una palla metallica cade attraverso un liquido (la palla cade più lentamente attraverso un liquido più viscoso) o misurando la velocità con cui un liquido scorre attraverso un tubo stretto (liquidi più viscosi scorrono più lentamente).

Gli IMF tra le molecole di un liquido, le dimensioni e la forma delle molecole e la temperatura determinano la facilità con cui scorre un liquido. Più la molecola è strutturalmente complessa, più forti sono gli IMF tra di loro e più difficile è per loro spostarsi l’uno oltre l’altro. I liquidi con queste molecole sono più viscosi. Con l’aumentare della temperatura, le molecole si muovono più rapidamente e le loro energie cinetiche sono meglio in grado di superare le forze che le tengono insieme; pertanto, la viscosità del liquido diminuisce.

Questo testo è adattato da Openstax, Chimica 2e, Sezione 10.2: Proprietà dei liquidi.