Forze di coesione, capillarità

Le forze di coesione sono definite come le forze di attrazione che si verificano tra molecole della stessa sostanza. Le forze di coesione sono dovute a interazioni intermolecolari che sono responsabili della resistenza di massa dei liquidi alla separazione. La pioggia, ad esempio, cade in goccioline piuttosto che in una nebbia sottile perché le molecole di acqua esercitano, tra loro, forze di coesione, che le lega strettamente fino alla formazione di goccioline.

A causa della differenza di elettronegatività tra ossigeno e idrogeno e stante la geometria molecolare, l’acqua forma un legame a idrogeno che sono i più forti tra le forze intramolecolari pertanto ogni molecola d’acqua ha la capacità di formare quattro legami a idrogeno con altrettante molecole di acqua.

Questo è il motivo per il quale l’acqua non bagna le superfici cerate perché le forze di coesione all’interno delle gocce sono più forti delle forze di adesione tra le gocce e la cera mentre bagna il vetro e si diffonde su di esso perché le forze di adesione tra il liquido e il vetro sono più forti delle forze di coesione all’interno dell’acqua.

Menisco e forze di coesione

Il menisco è una curva che si forma sulla superficie di una sostanza che si trova in un contenitore che ha una sezione piccola come, ad esempio, una buretta o ancor più un capillare.

Quando le forze di coesione tra le molecole del liquido sono maggiori delle forze di adesione tra il liquido e le pareti del contenitore, la superficie del liquido è convessa come avviene per il mercurio in cui la parte centrale del liquido è più alta di quella a contatto col contenitore.

Quando la forza di adesione del liquido con il contenitore è maggiore alla forza di coesione si ha un menisco concavo in cui la parte centrale del liquido è più bassa rispetto a quella a contatto con il contenitore come avviene, ad esempio con l’acqua.

Quando le forze di adesione e quelle di coesione sono uguali, la superficie è orizzontale come avviene, ad esempio nel caso dell’acqua distillata all’interno di un contenitore di argento.

Capillarità e forze di coesione

Il fenomeno della capillarità, definito come il movimento dell’acqua all’interno degli spazi di un materiale poroso, è dovuto alle forze di adesione, coesione e tensione superficiale. La capillarità si verifica solo quando le forze adesive sono più forti delle forze coesive e determina l’ascensione di liquidi attraverso un tubo sottile.

La capillarità è sfruttata nella cromatografia su strato sottile utilizzata per separare i composti di una miscela in base alla loro affinità. In questa tecnica la fase stazionaria è rappresentata da uno strato sottile di materiale adsorbente, come gel di silice o ossido di alluminio, sulla cui estremità viene posta una goccia del campione.

Essa viene poi posizionata verticalmente in una camera chiusa contenente, sul fondo, un solvente organico che sostituisce la fase mobile. Quest’ultima risale lungo la superficie della lastra per capillarità e i componenti del campione migrano a distanze variabili, in base alle rispettive affinità differenziali per la fase stazionaria e quella mobile.

Tensione superficiale

Le forze di coesione influenzano la tensione superficiale che è una misura delle forze interne che devono essere vinte per espandere la superficie di un liquido. In un contenitore aperto in cui è presente un liquido le molecole presenti all’interfaccia liquido-aria danno luogo alla formazione di forze di coesione che possono essere dovute a legami a idrogeno oltre che a forze di van der Waals, come nel caso dell’acqua, o solo a forze di van der Waals per liquidi come avviene, ad esempio, nel caso del n-ottano.

Sulle molecole che si trovano sulla superficie esiste solo l’interazione con quelle sottostanti e, trascurando le interazioni con l’aria e le pareti del recipiente, si verifica che la risultante delle forze è diversa da zero ed è diretta verso l’interno del liquido riducendo l’area superficiale e spingendo le molecole superficiali ad impaccarsi il più possibile.

L’acqua ha una tensione superficiale elevata a causa dei suoi forti legami a idrogeno e la tensione superficiale fa sì che l’acqua formi goccioline sferiche e le consente di sostenere piccoli oggetti, come, ad esempio, un pezzo di carta o un ago, se vengono posizionati con cura sulla sua superficie o, se di deposita un piccolo insetto come, ad esempio, un moscerino.