11.5: Tensione superficiale, azione capillare e viscosit

Tensione superficiale

I vari FMI tra molecole identiche di una sostanza sono esempi di forze di coesione. Le molecole all'interno di un liquido sono circondate da altre molecole e sono attratte equamente in tutte le direzioni dalle forze di coesione all'interno del liquido. Tuttavia, le molecole sulla superficie di un liquido sono attratte solo da circa la met delle molecole. A causa delle attrazioni molecolari sbilanciate sulle molecole di superficie, i liquidi si contraggono per formare una forma che minimizzi il numero di molecole sulla superficie, ovvero la forma con l’area superficiale minima. Una piccola goccia di liquido tende ad assumere una forma sferica. Questo perch in una sfera il rapporto tra superficie e volume minimo. Le gocce pi grandi sono maggiormente influenzate dalla gravit, dalla resistenza dell'aria, dalle interazioni superficiali e cos via e, di conseguenza, sono meno sferiche.

La tensione superficiale 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 quantit. Questa propriet deriva dalle forze di coesione tra le molecole sulla superficie di un liquido e fa s che la superficie di un liquido si comporti come una membrana di gomma allungata. Tra i liquidi comuni, l'acqua presenta una tensione superficiale decisamente 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? che pu sopportare una forza considerevole senza rompersi. Un ago d'acciaio posizionato con cura sull'acqua gallegger. Alcuni insetti, pur essendo pi densi dell'acqua, si muovono sulla sua superficie perch sostenuti dalla tensione superficiale.

Forze adesive e coesive

Le IMF di attrazione tra due molecole diverse sono chiamate forze adesive. Considera cosa succede quando l'acqua entra in contatto con una superficie. Se le forze adesive tra le molecole dell’acqua e le molecole della superficie sono deboli rispetto alle forze di coesione tra le molecole dell’acqua, l’acqua non “bagna? la superficie. Ad esempio, l'acqua non bagna le superfici cerate o molte materie plastiche come il polietilene. Su queste superfici si formano gocce d'acqua perch le forze di coesione all'interno delle gocce sono maggiori delle forze adesive tra l'acqua e la plastica. L'acqua si diffonde sul vetro perch la forza adesiva tra acqua e vetro maggiore delle forze di coesione all'interno dell'acqua. Quando l'acqua confinata in un tubo di vetro, il suo menisco (superficie) ha una forma concava perch l'acqua bagna il vetro e risale lungo il lato del tubo. D'altra parte, le forze di coesione tra gli atomi di mercurio sono molto maggiori delle forze adesive tra mercurio e vetro. Il mercurio, quindi, non bagna il vetro e forma un menisco convesso quando confinato in un tubo perch le forze coesive all'interno del mercurio tendono a trascinarlo in una goccia.

Azione capillare

Se un'estremit di un tovagliolo di carta viene immersa nel vino versato, il liquido assorbe il tovagliolo di carta. Un processo simile si verifica con un asciugamano di stoffa quando lo usi per asciugarti dopo la 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 di coesione all'interno del liquido, possono essere sufficientemente forti da spostare il liquido verso l'alto contro la gravit.

Gli asciugamani assorbono liquidi come l'acqua perch le fibre di un asciugamano sono costituite da molecole che sono attratte dalle molecole d'acqua. La maggior parte degli asciugamani di stoffa sono realizzati in cotone, mentre gli asciugamani di carta sono generalmente realizzati con pasta di carta. Entrambi sono costituiti da lunghe molecole di cellulosa che contengono molti gruppi −OH. Le molecole d'acqua sono attratte da questi gruppi −OH e formano con essi legami idrogeno, che attirano le molecole di H2O sulle molecole di cellulosa. Anche le molecole d'acqua sono attratte tra loro, quindi grandi quantit di acqua vengono aspirate dalle fibre di cellulosa.

L'azione capillare pu verificarsi anche quando un'estremit di un tubo di piccolo diametro viene immersa in un liquido. Se le molecole del liquido 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 non raggiungono l'equilibrio. Quanto pi piccolo il diametro del tubo, tanto pi alto sale il liquido.

Viscosit

Quando si versa un bicchiere d'acqua o si riempie un'auto di benzina, l'acqua e la benzina scorrono liberamente. Ma quando versi lo sciroppo sulle frittelle o aggiungi olio al motore di un'auto, lo sciroppo e l'olio motore non fluiscono cos facilmente. La viscosit di un liquido una misura della sua resistenza al flusso. Acqua, benzina e altri liquidi che scorrono liberamente hanno una bassa viscosit. Miele, sciroppo, olio motore e altri liquidi che non scorrono liberamente hanno viscosit pi elevate. Possiamo misurare la viscosit misurando la velocit con cui una sfera metallica cade attraverso un liquido (la sfera cade pi lentamente attraverso un liquido pi viscoso) o misurando la velocit con cui un liquido scorre attraverso un tubo stretto (i liquidi pi viscosi scorrono pi lentamente).

Gli IMF tra le molecole di un liquido, la dimensione e la forma delle molecole e la temperatura determinano la facilit con cui un liquido scorre. Pi strutturalmente complessa la molecola, pi forti sono gli IMF tra di loro e pi difficile sar per loro spostarsi uno accanto all’altro. I liquidi con queste molecole sono pi viscosi. All'aumentare della temperatura, le molecole si muovono pi rapidamente e le loro energie cinetiche riescono a vincere meglio le forze che le tengono insieme; quindi, la viscosit del liquido diminuisce.

Questo testo adattato da Openstax, Chemistry 2e, Section 10.2: Properties of Liquids.

Vi siete mai chiesti perché uno yen, se posto con cura sull'acqua, galleggia? La maggior parte delle proprietà dei liquidi sono dettate da forze intermolecolari. Le forze attrattive fra molecole simili in una sostanza sono dette anche forze coesive.

In acqua, le forze coesive attraggono le molecole interne allo stesso modo in tutte le direzioni, risultando in una forza netta pari a zero, in media, mentre le molecole di superficie subiscono solo una trazione verso il basso, che fa sì che le molecole si avvicinino strettamente. Le molecole interne sono più stabili dal punto di vista energetico di quelle di superficie, perché sperimentano una maggior coesione, che abbassa la loro energia potenziale. I fluidi, dunque, cercano di ridurre la loro energia potenziale minimizzando la superficie, creando una superficie in tensione che si comporta come una membrana elastica.

L'energia per aumentare la superficie di un liquido di una quantità unitaria è detta tensione superficiale, che viene spesso misurata in joule per metro quadrato. Le forze adesive, al contrario, esistono fra molecole dissimili, come l'acqua e il vetro. Dopo aver posizionato uno stretto tubo capillare in acqua, le molecole d'acqua si diffondono lungo le superfici del tubo tramite adesione, aumentando la superficie del liquido e attirando con esso, per coesione, il resto del liquido.

Il liquido nel capillare sale fino a quando la gravità non supera le forze adesive e coesive. Questo fenomeno è detto azione capillare. Per l'acqua, le forze adesive fra l'acqua e il vetro sono più forti delle forze coesive, risultando in un menisco concavo o curvo verso l'interno.

Per il mercurio, le forze coesive superano le forze adesive, risultando in un menisco convesso. La viscosità esprime la resistenza di un liquido al flusso. e viene spesso misurata in equilibrio, o grammi per centimetro al secondo.

Considerate il metanolo e il glicerolo. Benché entrambi formino legami idrogeno, il glicerolo ha tre gruppi OH invece di uno, e forma più legami idrogeno per molecola. Ciò risulta in una maggiore attrazione fra le molecole di glicerolo, rendendo il glicerolo più viscoso del metanolo.

La viscosità è influenzata dalle forme molecolari. Gli idrocarburi con masse molari e lunghezze crescenti interagiscono su aree maggiori e si aggrovigliano più frequentemente, determinando forze di dispersione più forti, e viscosità più elevate. Infine, la viscosità dipende dalla temperatura.

L'aumento dell'energia termica indebolisce le forze intermolecolari, le molecole si muovono più liberamente e i liquidi fluiscono più velocemente a temperature più elevate. o con le estremità positive.