Lo stato liquido: le proprietà

Stato liquido: le proprietà

I liquidi hanno le seguenti proprietà:
Sono incomprimibili
Hanno viscosità e densità intermedie tra quelle dei gas e dei solidi. La viscosità è la resistenza di un liquido al flusso. Più forti sono le forze intermolecolari di attrazione e maggiore è la viscosità. Quando un liquido fluisce, una parte del liquido si muove rispetto alle parti circostanti. Le forze di coesione all'interno del liquido creano una frizione interna che riduce la velocità di flusso. L'effetto è debole se il liquido è di bassa viscosità come l'alcol etilico e l'acqua, che fluiscono con facilità. Invece liquidi quali il miele e l’olio dei motori fluiscono molto più lentamente. Si dice allora che sono liquidi viscosi. Un metodo per misurare la viscosità consiste nel misurare il tempo di caduta di una sfera di acciaio attraverso una quantità nota di liquido. Maggiore è la viscosità del liquido più tempo impiega la sfera nel cadere. Le forze attrattive intermolecolari possono essere superate se le energie cinetiche molecolari sono elevate, quindi in genere la viscosità di un liquido diminuisce all'aumentare della temperatura.
Le forze di attrazione intermolecolari sono responsabili dei seguenti fenomeni:
Tensione superficiale, è l'energia o il lavoro richiesto per aumentare l'area superficiale di un liquido. La tensione superficiale viene spesso rappresentata con la lettera greca gamma ed espressa in unità di energia per unità di area, normalmente con J/m2. Aumentando la temperatura, e quindi il moto molecolare, le forze intermolecolari diventano meno efficaci. Occorre meno lavoro per aumentare la superficie di un liquido, il che vuol dire che la tensione superficiale diminuisce quando la temperatura aumenta. Quando una goccia di liquido si sparge come film su una superficie, si dice che il liquido bagna la superficie. Che una goccia di liquido bagni la superficie o mantenga la forma sferica dipende dall'intensità di due tipi di forze intermolecolari. Le forze di coesione sono forze intermolecolari tra molecole simili, mentre le forze adesive o forze di adesione sono quelle tra molecole diverse. Se le forze di coesione sono superiori alle forze di adesione, la goccia conserva la sua forma. Invece, se le forze di adesione sono sufficientemente intese, l'energia richiesta per spargere la goccia in un film viene fornita dal lavoro compiuto dalla goccia che si rompe.
Le sostanze che abbassano la tensione superficiale dell'acqua e consentono un più facile spargimento vengono detti agenti imbibenti, i quali vengono usati in numerose applicazioni che vanno dal lavaggio delle stoviglie ai processi industriali.
In sintesi le molecole all’interno del liquido sono attratte in tutte le direzioni. Le molecole sulla superficie invece sono attratte solamente verso l’interno e lateralmente. Lo strato superficiale quindi si comporta come una membrana elastica, la cui resistenza alla penetrazione cresce al crescere delle forze intermolecolari. La tensione superficiale provoca la contrazione della superficie del liquido.
Una goccia d’acqua è sferica a causa della tensione superficiale dell'acqua. Le molecole in superficie subiscono una attrazione diversa da quelle nel centro. Per questo la superficie di un liquido subisce una attrazione verso il centro tendendo a realizzare la minor area possibile (minore area = minore energia superficiale). Da qui la forma sferoidale della goccia d'acqua.
Inoltre se la superficie dove appoggia l'acqua è ad esempio vetro molto pulito le forze adesive tra acqua e vetro superano quelle coesive interne al liquido stesso (e misurate dalla tensione superficiale): l'acqua in questo caso bagna la superficie e non forma le gocce d'acqua rotonde mentre se sul vetro c'è uno strato lipidico (olio o altro) allora in questo caso le forze di interazione tra acqua e grasso sono scarse quindi prevale l’effetto di tensione superficiale che aggrega le gocce d’acqua: il liquido non bagna la superficie e si formano le gocce rotonde.
Capillarità, che la capacità da parte di un liquido di risalire lungo le pareti del recipiente che lo contiene. La capillarità è un fenomeno col quale un liquido modifica la sua superficie a contatto con un solido. La forma assunta dalla superficie del liquido dipende dall’entità delle interazioni tra le molecole del liquido con sé stesse e tra le molecole del liquido e le molecole del solido. La capillarità è responsabile della formazione del menisco, della risalita di un liquido in un capillare e della bagnabilità di un solido da parte di un liquido. Se il liquido contenuto nel tubo è l’acqua, il menisco sarà concavo, ovvero l’interfaccia tra l’acqua e
l’aria sovrastante è curvata verso l’alto. Nel caso del mercurio liquido (o del CCl4) il menisco è curvato verso il basso, ovvero è convesso. Nel mercurio le forze di coesione, costituite da legami metallici tra gli atomi di Hg, sono forti, per cui il mercurio non bagna il vetro. Il menisco è particolarmente esaltato in caso di tubi di piccolo diametro.
Se l'energia cinetica prevale sulle forze di attrazione le molecole passano allo stato gassoso (tensione di vapore). La tensione di vapore è la pressione (o la forza) esercitata da un vapore in equilibrio dinamico con il suo liquido. È costante a temperatura costante e dipende dal liquido considerato. I liquidi con alte tensioni di vapore sono detti volatili, mentre i liquidi con basse tensioni di vapore sono detti non volatili. La volatilità di un liquido dipende in larga parte dalla tipologia di forze intermolecolari che si vengono ad instaurare tra le molecole: più deboli sono queste forze e più volatile risulta il liquido, di conseguenza maggiore sarà la pressione di vapore. Quindi la tensione di vapore diminuisce al crescere dell’energia di vaporizzazione.
In prima approssimazione si può dire che la tensione di vapore di un liquido dipenda solamente dalla tipologia di liquido e dalla temperatura. La tensione di vapore, essendo una pressione, si misura in mmHg ed è una grandezza intensiva.
L’equilibrio dinamico è così chiamato perché la quantità di liquido e di vapore rimane costante (oppure, in una reazione chimica, rimangono costanti le quantità di reagenti e prodotti) ma le molecole cambiano continuamente fase.
L’evaporazione avviene più velocemente:
Aumentando la temperatura: più le molecole hanno energia sufficiente a vincere le forze intermolecolari di attrazione del liquido;
Aumentando la superficie del liquido: una maggiore porzione di molecole si trovano in superficie;
Diminuendo l’intensità delle forze intermolecolari: se viene richiesta meno energia cinetica per vincere le forze di attrazione intermolecolare più molecole hanno energia sufficiente a fuoriuscire.
Essendo l’evaporazione un processo endotermico (ovvero che richiede energia per avvenire), ∆H_evaporazione o ∆H_vap è sempre positiva. Infatti, poiché le molecole perse attraverso l’evaporazione hanno un’energia superiore alla media, l’energia cinetica media delle restanti molecole cala. La temperatura del liquido in evaporazione scende (questo giustifica la sensazione di freddo che si prova quando si mette sulla pelle un liquido volatile quale l’etere etilico o l’alcool etilico), di conseguenza, per vaporizzare un liquido a temperatura costante, è necessario rimpiazzare l’eccesso di energia cinetica asportata dalle molecole in evaporazione fornendo calore al liquido. L’entalpia di evaporazione è infatti l’energia che è necessario fornire al liquido affinché esso evapori a temperatura costante.
Ebollizione. Un liquido bolle quando raggiunge il punto di ebollizione, ovvero quando la sua tensione di vapore eguaglia la pressione esterna. L’ebollizione di un liquido avviene quando le molecole che lo compongono riescono a liberarsi delle dalle forze attrattive. Il punto normale di ebollizione corrisponde alla temperatura alla quale la tensione di vapore di un liquido eguaglia la pressione atmosferica (1 atm).
La temperatura di ebollizione di un liquido cresce al crescere della pressione e diminuisce al diminuire della pressione. Questo spiega perché i cibi non cuociono in alta montagna e perché la cottura sotto pressione è più veloce.
Durante l’ebollizione, l’energia assorbita sotto forma di calore viene utilizzata solamente per convertire le molecole di liquido in vapore. La temperatura resta costante finché tutto il liquido non è passato in fase gassosa.