Un tuffo… nella fisica dei liquidi 22 Febbraio 2011 Un tuffo… nella fisica dei liquidi Liceo Scientifico con sezione Classica "Benedetto Varchi“ Prof. Roberto Falciani

Il liquido: uno degli stati della materia 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) 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: Come mai quando chiudiamo lentamente il rubinetto l’acqua dopo un po’ fa la goccia e non “il pisciolo” sempre più sottile? Come è possibile che un ago d’acciaio riesca a galleggiare sull’acqua? Come mai con l’azione combinata di acqua e sabbia possiamo fare delle “formine”?

La chimica dell’acqua La 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) 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. 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

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’acqua F2 è il peso dell’anello misurato nel momento precedente al distacco R1 è il raggio interno dell’anello R2 è il raggio esterno dell’anello

Sono stati ottenuti i seguenti dati: F1= 0,058 N ΔF= 0,02 N F2= 0,078 N R1= 2,9 cm 0,029 m R2= 3,0 cm 0,030 m

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 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) 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.

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 62mm 13mm 0,53mm 54mm 5mm 1,065mm L’angolo ϒ è l’angolo che la superficie dell’acqua forma con le pareti del capillare. h1 h2 Δh r т 49mm 61mm 12mm 0,55mm 62mm 13mm 0,53mm 54mm 5mm 1,065mm 63mm 14mm 0,46mm

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.