Tensione superficiale e bagnabilità

La tensione superficiale è una misura dell’energia coesiva (forze di coesione) presente in un'interfaccia. Le molecole di un liquido si attraggono l’un l’altra. Le interazioni di una molecola nella massa di un liquido sono bilanciate da una forza attrattiva uguale in tutte le direzioni.

Ora spiego, ma prima qualche concetto:

Stati della materia (o stato di aggregazione delle molecole): classificazione degli stati che può assumere la materia a seconda delle proprietà meccaniche che manifesta.

• materia allo stato solido (volume e una forma propria, es PELLE)
• materia allo stato liquido (volume proprio, forma del recipiente che lo contiene, es. ACQUA)
• materia allo stato aeriforme (non ha né volume né forma propria, ma si espande fino a occupare tutto lo spazio disponibile, es. ARIA)
• materia allo stato plasmatico (non ha forma propria ma può espandersi come un aeriforme)

Quando due diverse fasi della materia (aria-acqua, aria-solido, acqua-olio, ecc.) sono a contatto, la loro superficie di separazione (interfaccia) è sede di particolari fenomeni chimico/fisico.

    Consideriamo un recipiente con un liquido:

Una molecola come quella indicata con la lettera A è circondata da altre molecole simili che la attraggono. La molecola A, sotto l’azione di tali forze, tenderà a spostarsi un poco nella direzione della molecola più prossima, ma manterrà, in media nel tempo, la propria posizione.

Una molecola come la B, che si trova sulla superficie del liquido, sentirà anch’essa la forza attrattiva esercitata dalle molecole vicine, ma queste si trovano soltanto sotto o accanto alla molecola considerata. Ne consegue che la molecola B è attratta più efficacemente verso l’interno del liquido stesso . Per questo motivo il liquido si comporta come se ci fosse una pellicola invisibile, una membrana elastica, che lo tiene unito.                                                          

In realtà si tratta dell’azione di una forza di origine molecolare. Il risultato di questa attrazione è che la superficie di un liquido si comporta come se fosse una membrana elastica (che è in tensione). A questo fenomeno si dà il nome di tensione superficiale. L’intensità della tensione superficiale dipende dal tipo di liquido considerato e da quale altra sostanza è circondato. La tensione superficiale è anche la causa della formazione delle gocce, che sono tenute insieme proprio da questa forza. Si prenda come esempio il mercurio, un liquido dotato di una elevata tensione superficiale: si può notare che il mercurio rovesciato su un tavolo si raccoglie sempre in piccole sferette compatte.

Introduco quindi il concetto di bagnabilità: La tendenza di una goccia ad appiattirsi sulla superficie aumenta al diminuire dell'angolo di contatto, perciò l'angolo di contatto è una misura inversa della bagnabilità delle superfici. Il grado di bagnabilità è dipendente dalla tensione superficiale del liquido e dalle varie energie di interfaccia.


Il fenomeno della bagnabilità, riveste significativa importanza nella cosmetologia in quanto la preparazione di formulazioni in sospensione richiede che le particelle che costituiscono la fase dispersa siano avviluppate (completamente bagnate) dal liquido per potervisi disperdere.

Per trattare quantitativamente il fenomeno della bagnabilità, consideriamo una goccia di liquido depositata su una superficie solida

Dopo aver riunito nel punto di contatto delle tre fasi aria-liqudo-solido i vettori caratterizzanti le forze superficiali (che sono tangenti alle rispettive superfici), li proiettiamo parallelamente alla superficie del solido in modo da poter formulare la condizione di equilibrio:

Dalla condizione di equilibrio, si ricava la relazione di Young.

Questo significa che quando una goccia di liquido è posta su una superficie solida, il suo perimetro si sposta, allargandosi o contraendosi, fino a quando l'angolo θ assume il valore dato dall’ equazione .

La bagnabilità è correlata con la misura dell'angolo θ . I 4 casi possibili:

1. la bagnabilità è massima quando l’angolo è uguale a zero, θ = 0 (cosθ = 1); è dovuta ad una bassa tensione superficiale del liquido, ad una bassa tensione interfacciale e ad una grande tensione superficiale del solido. E' quello che si verifica, per es., quando l'olio si spande sul vetro.

2. la bagnabilità è parziale quando θ < 90° (cos θ < 1).

La figura a destra, mostra che quando l'angolo θ è minore di 90° allora la bagnabilità è parziale ed aumenta con il diminuire di θ, diventando massima per θ = 0°.




Questa situazione si presenta quando

ed è particolarmente evidente quando la tensione superficiale del liquido è elevata: un esempio è il film lacrimale su una lente a contatto.

   

3. la bagnabilità è scarsa quando θ > 90 (cos θ < -1)

Si verifica se  

4.   Non si ha bagnabilità quando θ = 180° (cos θ = - 1). Un esempio si ha nel caso di mercurio su vetro.

Nel nostro campo, il problema della bagnabilità si presenta per sospensioni acquose, nelle quali il solido deve disperdersi molto bene. Così, molte polveri debolmente idrofile come l'acido stearico (angolo = 98), o fortemente idrofobiche come il magnesio stearato (angolo = 121), rendono necessario l'uso di tensioattivi per impedirne il galleggiamento(pensa al Pemulen). Anche la differente struttura cristallina può influenzare la bagnabilità.


p.s.L’acido salicilico ha un angolo di 103 e l'acqua ha una tensione superficiale più grande della maggior parte dei liquidi, a causa del legame idrogeno che si instaura tra le sue molecole.