Chimica

Quando si versa un bicchiere d’acqua o si riempie una macchina di benzina, si osserva che acqua e benzina scorrono liberamente. Ma quando si versa lo sciroppo sulle frittelle o si aggiunge olio al motore di un’auto, si nota 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. Il miele, lo sciroppo, l’olio motore e altri liquidi che non scorrono liberamente, come quelli mostrati nella figura 1, hanno viscosità più elevate. Possiamo misurare la viscosità misurando la velocità con cui una palla di metallo 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 (i liquidi più viscosi scorrono più lentamente).

Figura 1. (a) Il miele e (b) l’olio motore sono esempi di liquidi ad alta viscosità; scorrono lentamente. (credito a: modifica del lavoro di Scott Bauer; credito b: modifica del lavoro di David Nagy)

La FMI tra le molecole di un liquido, la dimensione e la forma delle molecole, e la temperatura determinano quanto facilmente un liquido scorre. Come mostra la tabella 1, più le molecole di un liquido sono strutturalmente complesse e più forte è l’IMF tra di loro, più difficile è il loro passaggio e maggiore è la viscosità del liquido. All’aumentare della temperatura, le molecole si muovono più rapidamente e le loro energie cinetiche sono in grado di superare meglio le forze che le tengono insieme; quindi, la viscosità del liquido diminuisce.

Le varie IMF tra molecole identiche di una sostanza sono esempi di forze coesive. Le molecole all’interno di un liquido sono circondate da altre molecole e sono attratte ugualmente in tutte le direzioni dalle forze coesive 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 minimizza il numero di molecole sulla superficie, cioè la forma con la minima area superficiale. Una piccola goccia di liquido tende ad assumere una forma sferica, come mostrato nella figura 2, perché in una sfera, il rapporto tra superficie e volume è minimo. Gocce più grandi sono più influenzate dalla gravità, dalla resistenza dell’aria, dalle interazioni di superficie, e così via, e di conseguenza, sono meno sferiche.

Figura 2. Le forze attrattive danno come risultato una goccia d’acqua sferica che minimizza l’area superficiale; le forze coesive tengono insieme la sfera; le forze adesive mantengono la goccia attaccata alla rete. (credito: modifica del lavoro di “OliBac”/Flickr)

La tensione superficiale è definita come l’energia richiesta per aumentare l’area superficiale di un liquido, o la forza richiesta per aumentare la lunghezza della superficie di un liquido di una data quantità. Questa proprietà deriva dalle forze coesive tra le molecole sulla superficie di un liquido, e fa sì che la superficie di un liquido si comporti come una membrana di gomma tesa. Le tensioni superficiali di diversi liquidi sono presentate nella tabella 2. 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 alta tensione superficiale, la superficie dell’acqua rappresenta una “pelle relativamente dura” che può sopportare una forza considerevole senza rompersi. Un ago d’acciaio posto con cura sull’acqua galleggerà. Alcuni insetti, come quello mostrato nella figura 3, anche se sono più densi dell’acqua, si muovono sulla sua superficie perché sono sostenuti dalla tensione superficiale.

Figura 3. La tensione superficiale (destra) impedisce a questo insetto, un “strider d’acqua”, di affondare nell’acqua (sinistra).

Le IMF di attrazione tra due molecole diverse sono chiamate forze adesive. Consideriamo cosa succede quando l’acqua entra in contatto con qualche 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. Per esempio, l’acqua non bagna le superfici cerate o molte plastiche come il polietilene. L’acqua forma delle gocce su queste superfici perché le forze coesive all’interno delle gocce sono maggiori delle forze adesive tra l’acqua e la plastica. L’acqua si sparge sul vetro perché la forza adesiva tra acqua e vetro è maggiore delle forze coesive 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 il lato del tubo. D’altra parte, le forze coesive tra gli atomi di mercurio sono molto più grandi delle forze adesive tra il mercurio e il vetro. Il mercurio quindi non bagna il vetro, e forma un menisco convesso quando è confinato in una provetta perché le forze coesive all’interno del mercurio tendono ad attirarlo in una goccia (Figura 4).

Figura 4. Le differenze nella forza relativa delle forze coesive e adesive portano a diverse forme di menisco per il mercurio (a sinistra) e l’acqua (a destra) in provette di vetro. (credit: Mark Ott)

Se si mette un’estremità di un tovagliolo di carta nel vino versato, come mostrato nella figura 5, il liquido risale il tovagliolo di carta. Un processo simile si verifica in un asciugamano di stoffa quando lo si usa 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 del liquido verso la superficie del materiale e verso altre molecole di liquido. Le forze adesive tra il liquido e il materiale poroso, combinate con le forze coesive all’interno del liquido, possono essere abbastanza forti da spostare il liquido verso l’alto contro la gravità.

Figura 5. Il vino risale un tovagliolo di carta (a sinistra) a causa della forte attrazione delle molecole di acqua (ed etanolo) verso i gruppi -OH sulle fibre di cellulosa del tovagliolo e la forte attrazione delle molecole di acqua verso altre molecole di acqua (ed etanolo) (a destra). (foto di credito: modifica del lavoro di Mark Blaser)

Gli asciugamani assorbono i liquidi come l’acqua perché le fibre di un asciugamano sono fatte di molecole che sono attratte dalle molecole d’acqua. La maggior parte degli asciugamani di stoffa sono fatti di cotone, e gli asciugamani di carta sono generalmente fatti di polpa 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 legami idrogeno con loro, il che attira le molecole di H2O su per le molecole di cellulosa. Le molecole d’acqua sono anche attratte l’una dall’altra, così grandi quantità d’acqua vengono attirate verso l’alto delle fibre di cellulosa.

L’azione capillare può anche verificarsi quando un’estremità di un tubo di piccolo diametro è immersa in un liquido, come illustrato nella figura 6. Se le molecole del liquido sono fortemente attratte dalle molecole del tubo, il liquido risale l’interno del tubo fino a quando il peso del liquido e le forze adesive sono in equilibrio. Più piccolo è il diametro del tubo, più in alto sale il liquido. È in parte grazie all’azione capillare che si verifica nelle cellule delle piante chiamate xilema che l’acqua e le sostanze nutritive disciolte sono portate dal suolo verso l’alto attraverso le radici e dentro una pianta. L’azione capillare è la base della cromatografia a strato sottile, una tecnica di laboratorio comunemente usata per separare piccole quantità di miscele. Dipendete da una fornitura costante di lacrime per mantenere i vostri occhi lubrificati e dall’azione capillare per pompare via il liquido lacrimale.

Figura 6. A seconda della forza relativa delle forze adesive e coesive, un liquido può salire (come l’acqua) o scendere (come il mercurio) in un tubo capillare di vetro. L’estensione dell’ascesa (o della caduta) è direttamente proporzionale alla tensione superficiale del liquido e inversamente proporzionale alla densità del liquido e al raggio del tubo.

L’altezza a cui un liquido sale in un tubo capillare è determinata da diversi fattori come mostrato nella seguente equazione:

In questa equazione, h è l’altezza del liquido all’interno del tubo capillare rispetto alla superficie del liquido fuori dal tubo, T è la tensione superficiale del liquido, θ è l’angolo di contatto tra il liquido e il tubo, r è il raggio del tubo, ρ è la densità del liquido, e g è l’accelerazione dovuta alla gravità, 9.8 m/s2. Quando il tubo è fatto di un materiale al quale le molecole del liquido sono fortemente attratte, esse si spargeranno completamente sulla superficie, il che corrisponde a un angolo di contatto di 0°. Questa è la situazione dell’acqua che sale in un tubo di vetro.

Applicazioni biomediche dell’azione capillare

Figura 7. Il sangue viene raccolto per l’analisi medica per azione capillare, che aspira il sangue in un tubo di vetro di piccolo diametro. (credito: modifica del lavoro dei Centers for Disease Control and Prevention)

Molti test medici richiedono il prelievo di una piccola quantità di sangue, per esempio per determinare la quantità di glucosio in qualcuno con il diabete o il livello di ematocrito in un atleta. Questa procedura può essere eseguita facilmente grazie all’azione capillare, la capacità di un liquido di fluire in un piccolo tubo contro la gravità, come mostrato nella Figura 7. Quando ci si punge il dito, si forma una goccia di sangue che si tiene insieme a causa della tensione superficiale – le attrazioni intermolecolari sbilanciate sulla superficie della goccia. Poi, quando l’estremità aperta di un tubo di vetro di diametro stretto tocca la goccia di sangue, le forze adesive tra le molecole del sangue e quelle sulla superficie del vetro attirano il sangue su per il tubo. Quanto il sangue risale il tubo dipende dal diametro del tubo (e dal tipo di fluido). Un tubo piccolo ha una superficie relativamente grande per un dato volume di sangue, il che si traduce in forze attrattive (relative) più grandi, permettendo al sangue di risalire più lontano nel tubo. Il liquido stesso è tenuto insieme dalle sue forze coesive. Quando il peso del liquido nel tubo genera una forza verso il basso uguale alla forza verso l’alto associata all’azione capillare, il liquido smette di salire.