Chimica per il liceo/Lo stato liquido

La viscosità

Quando versi un bicchiere d'acqua o riempi un'auto di benzina, osservi che l'acqua e la benzina scorrono liberamente. Ma quando versi lo sciroppo sulle frittelle o aggiungi olio al motore di un'auto, noti che 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, come quelli mostrati nella galleria, hanno viscosità più elevate. Possiamo misurare la viscosità misurando la velocità con cui una sfera metallica cade attraverso un liquido (la sfera cade più lentamente attraverso un liquido più viscoso) o misurando la velocità con cui un liquido scorre attraverso un tubo stretto (i liquidi più viscosi scorrono più lentamente ).

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  a: miele
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  b: olio motore

(a) Miele e (b) olio motore sono esempi di liquidi ad alta viscosità; scorrono lentamente

Le forze intermolecolari tra le molecole di un liquido, la dimensione e la forma delle molecole e la temperatura determinano la facilità con cui un liquido scorre. Come mostra la tabella qui sotto, quanto più complesse sono strutturalmente le molecole in un liquido e quanto più forti sono le forze tra di loro, tanto più difficile è per loro spostarsi una accanto all’altra e maggiore è la viscosità del liquido. All'aumentare della temperatura, le molecole si muovono più rapidamente e le loro energie cinetiche riescono a vincere meglio le forze che le tengono insieme; quindi, la viscosità del liquido diminuisce.

Viscosità delle sostanze comuni a 25 °C

Sostanza	Formula	Viscosità (mPa·s)
acqua	H2O​​	0,890
mercurio	Hg	1.526
etanolo	C2H5OH	1.074
ottano	C8H18​​​	0,508
glicole etilenico	CH2 (OH)CH2(OH)	16.1
Miele	variabile	~ 2.000-10.000
olio motore	variabile	~50-500

La coesione

Le varie forze intermolecolari 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 metà 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, come mostrato nella figura sotto, perché in una sfera il rapporto tra superficie e volume è minimo. Le gocce più grandi sono maggiormente influenzate dalla gravità, dalla resistenza dell'aria, dalle interazioni superficiali e così via e, di conseguenza, sono meno sferiche.

Le forze attrattive danno luogo a una goccia d'acqua sferica che minimizza l'area superficiale; le forze coesive tengono insieme la sfera; le forze adesive mantengono la goccia attaccata al nastro.

La tensione superficiale

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 di coesione tra le molecole sulla superficie di un liquido e fa sì che la superficie di un liquido si comporti come una membrana di gomma allungata. Le tensioni superficiali di diversi liquidi sono presentate nella Tabella 10.3 . 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 può sopportare una forza considerevole senza rompersi. Un ago d'acciaio posizionato con cura sull'acqua galleggerà. Alcuni insetti, come quello mostrato nella Figura 10.17, anche se sono più densi dell'acqua, si muovono sulla sua superficie perché sostenuti dalla tensione superficiale.

Tensioni superficiali di sostanze comuni a 25 °C

Sostanza	Formula	Tensione superficiale (mN/m)
acqua	H2O​​	71,99
mercurio	Hg	458.48
etanolo	C2H5OH	21.97
ottano	C8H18​​​	21.14
glicole etilenico	CH2 (OH)CH2(OH)	47,99

Figura 10.17 La tensione superficiale (a destra) impedisce a questo insetto, un “water strider”, di affondare nell'acqua.

Tensione superficiale nell'acqua

La tensione superficiale è influenzata da una serie di variabili, inclusa l'introduzione di sostanze aggiuntive sulla superficie. Alla fine del 1800, Agnes Pockels, a cui inizialmente fu impedito di intraprendere la carriera scientifica ma studiò da sola, iniziò a studiare l'impatto e le caratteristiche dei film saponosi e grassi nell'acqua. Utilizzando materiali fatti in casa, ha sviluppato uno strumento noto come vasca per misurare i contaminanti superficiali e i loro effetti. Con il supporto del famoso scienziato Lord Rayleigh, il suo articolo del 1891 dimostrò che la contaminazione superficiale riduce significativamente la tensione superficiale e che anche il cambiamento delle caratteristiche della superficie (comprimendola o espandendola) influisce sulla tensione superficiale. Decenni dopo, Irving Langmuir e Katharine Blodgett svilupparono il lavoro di Pockels per i loro studi e importanti progressi nella chimica delle superfici. Langmuir ha aperto la strada ai metodi per produrre strati di pellicola a molecola singola; Blodgett li ha applicati allo sviluppo del vetro non riflettente (fondamentale per la produzione di film e altre applicazioni) e ha anche studiato metodi relativi alla pulizia delle superfici, che sono importanti nella fabbricazione dei semiconduttori.

L'adesione

Le forze di attrazione tra due diverse molecole sono chiamate forze adesive . Considera cosa succede quando l'acqua entra in contatto con una superficie. Se le forze adesive tra le molecole d'acqua e le molecole della superficie sono deboli rispetto alle forze coesive tra le molecole d'acqua, l'acqua non “bagna” la superficie. Ad esempio, l'acqua non bagna le superfici cerate o molte materie plastiche come il polietilene. L'acqua forma delle gocce su queste superfici perché 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 perché la forza adesiva tra acqua e vetro è maggiore delle forze di coesione 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 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 è confinato in un tubo perché le forze di coesione all'interno del mercurio tendono a trascinarlo in una goccia ( Figura sotto).

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  Adesione dell'acqua sulla foglia
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  capillarità e menisco dell'acqua e del mercurio

Le differenze nell'intensità relativa delle forze coesive e adesive danno luogo a forme diverse del menisco per il mercurio (a sinistra) e l'acqua (a destra) nei tubi di vetro.

La capillarità

Se metti un'estremità di un tovagliolo di carta nel vino versato, come mostrato nella Figura 10.19, 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 gravità.

Capillarità del vino su carta assorbente

Il vino assorbe un tovagliolo di carta (a sinistra) a causa della forte attrazione delle molecole di acqua (ed etanolo) sui gruppi −OH sulle fibre di cellulosa dell'asciugamano e delle forti attrazioni delle molecole d'acqua verso altre molecole di acqua (ed etanolo) (a destra )

Gli asciugamani assorbono liquidi come l'acqua perché 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 quantità di acqua vengono aspirate dalle fibre di cellulosa.

L'azione capillare può verificarsi anche quando un'estremità di un tubo di piccolo diametro è immersa in un liquido, come illustrato nella Figura sotto. 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 più piccolo è il diametro del tubo, tanto più alto sale il liquido. È in parte attraverso l'azione capillare che avviene nelle cellule vegetali chiamate xilema che l'acqua e i nutrienti disciolti vengono portati dal terreno attraverso le radici fino alla pianta. L'azione capillare è la base della cromatografia su strato sottile, una tecnica di laboratorio comunemente utilizzata per separare piccole quantità di miscele. Dipendi da una fornitura costante di lacrime per mantenere gli occhi lubrificati e dall'azione capillare per pompare via il liquido lacrimale.

Capillarità dell'acqua e del mercurio

A seconda dell'intensità relativa delle forze adesive e coesive, un liquido può salire (come l'acqua) o cadere (come il mercurio) in un tubo capillare di vetro. L'entità dell'innalzamento (o dell'abbassamento) è direttamente proporzionale alla tensione superficiale del liquido e inversamente proporzionale alla densità del liquido e al raggio del tubo.

L'altezza alla quale un liquido salirà in un tubo capillare è determinata da diversi fattori, ma in generale più il capillare (tubo) è stretto, più in alto va l'acqua (o in basso va il mercurio)

Esercizi

https://openstax.org/books/chemistry-atoms-first-2e/pages/10-exercises

Fonti

https://openstax.org/books/chemistry-atoms-first-2e/pages/10-2-properties-of-liquids