UN TUFFO… NELLA FISICA DEI LIQUIDI

22 Febbraio 2011

Liceo Scientifico con sezione Classica "Benedetto Varchi“ Prof. Roberto Falciani

In natura esistono vari stati di aggregazione della materia: quello solido, quello liquido, quello gassoso. Questi stati (o fasi) non sono però statici, ma anzi esiste la possibilità la materia subisca una trasformazione e che cambi fase a una determinata temperatura e pressione. Ecco alcuni esempi di cambiamenti di fase nel caso dell’acqua (H2O)

I l l iquido: uno degl i stati del la mater ia

Sebbene l’acqua ci circondi, sebbene abbiamo a che fare con essa ogni giorno, spesso non siamo a conoscenza delle spiegazioni di alcuni fenomeni che ci sono estremamente familiari. Per esempio:

1) Come mai quando chiudiamo lentamente il rubinetto l’acqua dopo un po’ fa la goccia e non “il pisciolo” sempre più sottile?

2) Come è possibile che un ago d’acciaio riesca a galleggiare sull’acqua?3) Come mai con l’azione combinata di acqua e sabbia possiamo fare delle “formine”?

La chimica dell’acquaLa tavola periodica

La tavola periodica è un efficace strumento che raggruppa tutti gli elementi esistenti in GRUPPI (identificati dalle colonne della tavola) e PERIODI (identificati dalle righe trasversali della tavola); è nelle prime due righe che si addensano gli elementi più importanti per la vita ed è proprio in esse che troviamo gli elementi costitutivi dell’acqua, cioè OSSIGENO E IDROGENO.

L’ossigeno è un elemento molto elettronegativo (cioè “vorace” di elettroni) che per completare l’ultimo orbitale di valenza e raggiungere struttura simile a quella del Neon, gas nobile a lui simile, ha bisogno di due elettroni. L’idrogeno è meno elettronegativo dell’ossigeno ed è per questo che tende a cedergli l’unico elettrone che ha: nel caso dell’acqua li cede proprio all’ossigeno formando una molecola (la differenza di elettronegatività non è altissima, quindi l’ossigeno non ce la fa a strappare gli elettroni all’idrogeno).

La molecola che si forma, pur essendo elettricamente neutra, ha un’alta costante dipolare (ed infatti una delle caratteristiche dell’acqua è quella di essere un buon solvente)

(*) Il neon è detto nobile non perchè ha "le palle sullo stemma", ma perchè, essendo completo, non reagisce con nessuno, è inerte

Avvicinando due molecole d’acqua queste si dispongono in modo da avere a contatto gli idrogeni di una molecola con l’ossigeno dell’altra. Si ha perciò tra le due molecole una forza intermolecolare che per valori minori al raggio della molecola è positiva (forza repulsiva) mentre per valori maggiori è negativa (forza attrattiva).

La forza attrattiva tende a 0 quando r > circa 300 volte il raggio della molecola.

La molecola 1 (in figura) esercita quindi un sistema di forze di attrazione su tutte le molecole che si trovano intorno ad essa fino a circa trecento volte il suo raggio (quella in azzurro è quindi la sua “sfera di influenza”). Per il principio di azione e reazione le altre molecole esercitano su di essa un sistema di forze uguale e contrario. Nel caso della molecola 2 (in figura) , che si trova in prossimità della superficie, viene a mancare l’equilibrio (parte della “sfera di influenza” è occupata dall’aria e non dall’ acqua). Le molecole sulla superficie sono quindi maggiormente attratte verso l’interno: si crea la forza di TENSIONE SUPERFICIALE.

Misura della tensione superficiale τ (parte 1)

Anello di metallo al momento del distacco dall’acqua; A-> forza peso dell’anello ; B-> forza di tensione superficiale (agisce solo in prossimità della superficie)

La forza di Archimede è praticamente ininfluente, visto che la parte immersa dell’anello è piccolissima

- Attacchiamo un anello al dinamometro e leggiamo la misura della forza peso relativa all’anello stesso (F1)- Solleviamo lentamente l’anello fino a che la parte inferiore non raggiunge il pelo dell’acqua e leggiamo ancora una volta la forza

misurata dal dinamometro: vedremo che è aumentata di molto (F2)- Solleviamo ancora l’anello e noteremo il netto “distacco” di esso dall’acqua.

124 FFr

r

FF

412

Esperimento sulla tensione superficiale

Strumenti usati:

• Dinamometro (portata 0,1N)

• Becher• Calibro• Tensimetro• Piedistallo

regolabile

Utilizziamo la formula:

F1 è il peso dell’anello fuori dall’acquaF2 è il peso dell’anello misurato nel momento

precedente al distaccoR1 è il raggio interno dell’anelloR2 è il raggio esterno dell’anello

)(2

)(

21

12

rr

FF

Sono stati ottenuti i seguenti dati:

F1= 0,058 N ΔF= 0,02 NF2= 0,078 N

R1= 2,9 cm 0,029 mR2= 3,0 cm 0,030 m

m

N

m

N 31054059,02

02,0

Misura della tensione superficiale τ (parte 2)

- Prendiamo un contagocce e osserviamo il formarsi di una goccia all’imboccatura.- Misuriamo il raggio della pipetta- La forza peso della goccia è controbilanciata dalla tensione superficiale- Il raggio che andiamo a misurare è il raggio esterno della pipetta, che corrisponde con buona approssimazione a

quello della goccia

r

gm

4

rgm 2

Consideriamo solo metà goccia

Esperimento sulla tensione superficiale in una goccia d’acqua

Materiale necessario:

• Una bilancia• Una provetta graduata• Una pipetta• Acqua

Per trovare la massa della goccia: - si pesa la provetta vuota - si pesa la provetta con un certo numero di gocce - si fa la differenza e si divide il risultato per il numero di gocce

Abbiamo rilevato i seguenti dati : mprovetta = 26,14 g mprovetta piena = 29,03 Vtot = 3 ml = 3 * 10-6 n°gocce = 71

Seguendo i passaggi indicati sopra e applicando la formula detta all’inizio, il risultato è venuto 47*10 -3 N/m

Misura della tensione superficiale τ (parte 3)

cos2

*** rgh

- L’acqua, non essendo un solido, non ha forma propria; prende la forma del recipiente in cui è contenuta e la sua superficie è un piano orizzontale (piani ortogonali alla forza peso in ogni punto) ed è equipotenziale.

- La superficie vicina ai bordi tende però ad “attaccarsi” alle pareti del recipiente manifestando quelle che vengono dette forze di Van der Waals; sono i punti in cui la forza di adesione è maggiore della forza di tensione.

- Se immergiamo nel liquido l’estremità di un tubicino (diametro minore o uguale allo spazio in cui si manifesta la forza di adesione) si può assistere al fenomeno della capilliarità.

mgr cos2

Esperimento sulla capillarità dell’acqua

Materiale necessario:

• Becher• 4 capillari di vetro (diversi

diametri)• Un righello• Lenti da ingrandimento

h1 h2 Δh r т

49mm 61mm 12mm 0,55mm

49mm 62mm 13mm 0,53mm

49mm 54mm 5mm 1,065mm

49mm 63mm 14mm 0,46mm

L’angolo ϒ è l’angolo che la superficie dell’acqua forma con le pareti del capillare.

Realizzato da Del Riccio Marco e Pasquini Maria con la collaborazione di Grassi Carlo, Provvedi Claudio e Secciani Nicola.

Un ringraziamento ai docenti Stocchi Maria Pia, Iacomelli Guglielmo, Magni Cecilia, Gori Francesca, Noferi Delia.