22 Febbraio 2011 Liceo Scientifico con sezione Classica "Benedetto Varchi Prof. Roberto...

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.