Origine molecolare della tensione superficiale

Una graffetta che galleggia, una goccia che si raccoglie a sfera, un insetto che cammina sull’acqua: dietro a questi fenomeni c’è un’unica grandezza, la tensione superficiale. Nasce da uno squilibrio di forze che riguarda solo le molecole della superficie e si misura come energia spesa per creare nuova area di interfaccia.

Vediamo da dove viene questo squilibrio, perché conviene leggere la tensione superficiale come un’energia, quali valori assume per i liquidi comuni e perché una superficie tende sempre a contrarsi.

Lo squilibrio di forze all’interfaccia

Dentro un liquido ogni molecola è circondata da altre molecole su tutti i lati: le forze attrattive (coesione) si bilanciano e la risultante è nulla. Una molecola che si trova invece sulla superficie ha vicini solo lateralmente e sotto di sé, non sopra, dove c’è il vapore. La risultante delle forze coesive punta perciò verso l’interno del liquido: la superficie è in tensione, come una pelle elastica che tende a ridursi al minimo.

Tensione come energia per unità di area

Portare una molecola dall’interno alla superficie costa energia, perché significa romperne in parte la coesione con i vicini. Aumentare l’area di un’interfaccia richiede quindi lavoro, ed è questo il modo più profondo di definire la grandezza: la tensione superficiale è l’energia libera necessaria per creare un’unità di nuova superficie.

γ = dGdA  (energia libera per unità di area, J/m² = N/m)

Da qui nascono le sue due unità equivalenti. Vista come energia per area si esprime in joule al metro quadro (J/m²); vista come forza per unità di lunghezza lungo il bordo della superficie si esprime in newton al metro (N/m). Sono numericamente identiche, e in pratica si usa il millinewton al metro (mN/m, uguale alla vecchia dina/cm). Questa doppia natura — energia di superficie e tensione di linea — è la chiave per capire tutti i fenomeni capillari.

I valori tipici dei liquidi

Il valore della tensione superficiale dipende direttamente dalla forza delle interazioni intermolecolari. I liquidi con legami idrogeno forti, come l’acqua, hanno valori alti; i solventi organici apolari, dominati da deboli forze di dispersione, hanno valori bassi; i metalli fusi, con legame metallico, raggiungono valori altissimi.

Perché le gocce sono sferiche

Poiché aumentare l’area costa energia, un liquido lasciato libero tende a minimizzare la propria superficie. A parità di volume, la forma con la minore area possibile è la sfera: per questo una piccola goccia, in assenza di gravità apprezzabile, assume forma sferica, e la stessa tendenza spiega il rotolare delle gocce su una superficie idrofobica. Questa minimizzazione è il filo conduttore della capillarità: ogni fenomeno — risalita nei tubi, forma del menisco, pressione interna delle bolle — discende dalla tendenza dell’interfaccia a contrarsi.

Coesione e adesione

La tensione superficiale misura la coesione del liquido con sé stesso, ma all’interfaccia con un solido entra in gioco anche l’adesione fra liquido e solido. È il rapporto fra queste due forze a decidere se un liquido bagna o no una superficie, argomento dell’angolo di contatto e della bagnabilità. Un dato fisico importante: ogni solido aderisce almeno debolmente a qualsiasi liquido per le forze di dispersione, sicché un liquido a contatto con un solido non si stacca mai del tutto spontaneamente, anche quando la sua coesione interna supera di gran lunga l’adesione al solido.

Perché conta nella pratica

La tensione superficiale governa una quantità enorme di processi industriali: la stesura di vernici e inchiostri, la detergenza, l’emulsionamento, la stampa, l’atomizzazione dei liquidi, la flottazione dei minerali, la risalita dell’acqua nei materiali porosi. Capire che è un’energia di superficie permette di prevedere come un liquido si comporta su un materiale e di intervenire dove serve, ad esempio abbassandola con un tensioattivo per migliorare la bagnabilità. È la grandezza di base di tutta la scienza delle interfacce.

Quando la tensione superficiale varia da punto a punto, il liquido si mette in moto: è l’effetto Marangoni.

Domande frequenti

Che cos’è la tensione superficiale?

È l’energia libera necessaria per creare un’unità di nuova superficie di un liquido, equivalente a una forza per unità di lunghezza che agisce lungo la superficie. Nasce dallo squilibrio delle forze coesive: le molecole interne sono attratte da tutti i lati, quelle di superficie solo verso l’interno. Si misura in mN/m e dipende dalla forza delle interazioni intermolecolari.

Perché l’acqua ha una tensione superficiale così alta?

Perché le sue molecole formano legami idrogeno forti e numerosi, che danno una coesione elevata. Il valore, circa 72 mN/m, è più del triplo di quello dei comuni solventi organici, dominati da deboli forze di dispersione. È questa coesione che rende molte superfici difficili da bagnare con acqua, finché non si aggiunge un tensioattivo che la riduce.

Perché le gocce tendono a diventare sferiche?

Perché aumentare l’area di superficie costa energia, quindi un liquido libero minimizza la propria superficie. A parità di volume, la sfera è la forma con la minore area possibile, per questo una piccola goccia, dove la gravità conta poco, assume forma sferica. La stessa tendenza fa rotolare le gocce su una superficie che non le bagna.

In quali unità si misura la tensione superficiale?

Si può esprimere come energia per area (J/m²) o come forza per lunghezza (N/m): sono numericamente identiche. In pratica si usa il millinewton al metro (mN/m), che coincide con la vecchia unità dina/cm. L’acqua vale circa 72 mN/m, i solventi apolari intorno a 18-22, il mercurio quasi 485.

Qual è la differenza tra coesione e adesione?

La coesione è l’attrazione fra le molecole dello stesso liquido e si riflette nella tensione superficiale; l’adesione è l’attrazione fra il liquido e un solido a contatto. È il rapporto fra le due a decidere se il liquido bagna la superficie. Per le sole forze di dispersione un solido aderisce sempre almeno un poco a qualsiasi liquido, che quindi non si stacca mai del tutto da solo.