1A - Esperimenti con le gocce d'acqua

Qualche osservazione sull'esperimento di oggi.

Talvolta si vedono alcuni insetti (i gerridi, vedi sotto) che camminano sull’acqua; si può far galleggiare una graffetta metallica o una moneta, ponendoli con delicatezza sulla superficie del liquido. Perché non affondano?
Il fenomeno può essere spiegato con la tensione superficiale.

I liquidi hanno una struttura interna costituita da molecole vicine le une alle altre. L’intensità delle forze fra molecola e molecola, dette forze di coesione, non garantisce la compattezza del materiale.

Una molecola d'acqua A è circondata da altre molecole simili che la attraggono. La molecola A, sotto l’azione di queste forze di attrazione, tenderà a spostarsi un po' verso la molecola più vicina, ma manterrà nel tempo la propria posizione. Una molecola come la B, vicino alla superficie libera del liquido, sentirà anch’essa la forza attrattiva esercitata dalle molecole vicine, ma queste si trovano soltanto sotto o accanto alla molecola B. La molecola B (e tutte quelle vicine alla superficie libera del liquido) è attratta più efficacemente verso l’interno del liquido stesso. Per questo motivo il liquido si comporta come se ci fosse una pellicola invisibile che lo tiene unito. E' una forza di origine molecolare cui si dà il nome di tensione superficiale.

Dunque una molecola d'acqua è completamente circondata da altre molecole con le quali interagisce e dalle quali si sente attratta. Tali forze di attrazione si esercitano sulla molecola da tutte le direzioni dello spazio, per cui alla fine la forza che ne risulta è nulla: per una forza che la attrae in un verso verso ne esiste un'altra uguale che la attrae nel verso opposto!

Le cose cambiano se la molecola si trova in prossimità della superficie libera dell'acqua perché questa molecola è attratta solamente da quelle sottostanti e dalle altre molecole sulla superficie. In particolare essa non subisce alcuna forza attrattiva dall'alto che controbilanci quella dal basso. In conclusione: le molecole in superficie sono attratte verso l'interno del liquido. Questa forza produce le caratteristiche di superficie elastica che l'acqua mostra.
La tensione superficiale tende a rendere minima la superficie di una goccia (a parità di volume, la sfera è il solido dotato di minor superficie).

E' come se si formasse uno strato di molecole in superficie che si tengono unite, permettendo in certe condizioni, come vedremo, il galleggiamento di oggetti anche più densi dell’acqua. La tensione superficiale è la tendenza delle molecole dei liquidi a stringersi le une alle altre. Immagino la superficie libera dell’acqua costituita da una rete di molecole d’acqua legate tra loro. Questa rete è abbastanza tesa che se un gerride (vedi sotto) lo sostiene e lo tiene a galla. 

Cosa fa il sapone alla goccia d'acqua?

Il sapone contiene tensioattivi. Essi vengono utilizzati nell’industria dei detersivi e dei saponi (vedremo perché).
I tensioattivi sono sostanze che, aggiunte all’acqua, ne abbassano la tensione superficiale.
Quando la tensione superficiale diminuisce, diminuisce la coesione della superficie del liquido. 
Oltre a spiegare l'esperimento della goccia d'acqua, puoi fare a casa questo:

Materiale: bacinella – detersivo per piatti – borotalco.
Procedimento:
1-Versare della polvere di borotalco in una bacinella d’acqua.
2- Versare poi qualche goccia di sapone nella bacinella.
Osservazioni:
1- Dopo aver messo un po' di borotalco sulla superficie dell'acqua osservi che il borotalco ................ . 2- Aggiungendo poi una goccia di sapone sulla superficie dell'acqua si potrà osservare che il borotalco .............................  e poi ........................... dalla superficie dell'acqua.

Perché? Cosa succede quando aggiungiamo il sapone?

Le molecole di sapone hanno code idrofobe (= nemiche dell’acqua) e teste idrofile (amiche dell’acqua).

Osserviamo come si dispongono le molecole di sapone sulla superficie dell’acqua:

http://dm.unife.it/matematicainsieme/schiume/perc_chimica03.htm

Le molecole di sapone spingono le loro code idrofobe fuori dall’acqua (perché a loro non piace stare nell’acqua), mentre le teste idrofile separano le molecole d’acqua le une dalle altre. Questo fa diminuire la tensione superficiale perché la distanza fra le molecole d’acqua aumenta.

Interessanti video sul tema

https://www.youtube.com/watch?v=Hrp0BlyrNQQ

https://www.youtube.com/watch?v=kjJhWyBzWVU

Infine, I Gerridi.