Tensiunea superficială

Tensiunea superficială este tendința elastică a unei suprafețe lichide care face ca aceasta să tindă spre cea mai mică suprafață posibilă. Tensiunile superficiale permit insectelor, de obicei mai dense decât apa, să plutească și să se deplaseze pe suprafața apei.

La interfețele lichid-aer, tensiunea superficială rezultă din atracția mai mare a moleculelor lichide una față de cealaltă (datorită coeziunii) decât cu moleculele din aer (datorate adeziunii). Efectul net este o forță interioară la suprafața sa, care determină ca lichidul să se comporte ca și când suprafața sa ar fi acoperită cu o membrană elastică întinsă. Astfel, suprafața devine tensionată de forțele dezechilibrate, probabil de unde provine termenul „tensiune superficială”. Datorită atracției reciproce relativ ridicate a moleculelor de apă printr-o rețea de legături de hidrogen, apa are o tensiune superficială superioară (72,8 milinewtoni pe metru la 20 °C), comparativ cu cea a majorității altor lichide. Tensiunea de suprafață este un factor important în fenomenul de capilaritate.

Tensiunea superficială are dimensiunea forței pe unitate de lungime sau de energie per unitate de suprafață. Cele două sunt echivalente, dar când se face referire la energia pe unitate de suprafață, este obișnuit să se utilizeze termenul de energie superficială, care este un termen mai general în sensul că se aplică și solidelor.

În domeniul științei materialelor, tensiunea superficială este utilizată pentru stresul de suprafață sau pentru energia liberă superficială.

Cauze

 (Diagrama forțelor asupra moleculelor unui lichid.)

Forțele de coeziune trag de o moleculă în mod egal în toate direcțiile datorită moleculelor de lichid vecine, rezultând o forță netă zero. Moleculele de la suprafață nu au aceleași molecule pe toate laturile lor și, prin urmare, sunt trase în interior. Aceasta creează o presiune internă și forțează suprafețele lichidelor să se contracteze tinzând spre o suprafață minimă. Forțele de atracție care acționează între moleculele de același tip sunt numite forțe de coezive, în timp ce forțele care acționează între molecule de diferite tipuri sunt numite forțe adezive. Atunci când forțele coezive sunt mai puternice decât forțele adezive, lichidul formează un menisc convex (ca mercurul într-un recipient de sticlă). Pe de altă parte, atunci când forțele adezive sunt mai puternice, suprafața lichidului se curbează (ca apa într-un pahar).

Tensiunea de suprafață este responsabilă pentru forma picăturilor de lichid. Deși ușor deformate, picăturile de apă tind să ia o formă sferică prin dezechilibrul forțelor coezive ale stratului de suprafață. În absența altor forțe, inclusiv a gravitației, picăturile a aproape toate lichidele ar fi aproximativ sferice. Forma sferică minimizează „tensiunea de perete” necesară a stratului de suprafață în conformitate cu legea lui Laplace.

O altă modalitate de a vedea tensiunea superficială este din punct de vedere al energiei. O moleculă în contact cu un vecin se află într-o stare mai scăzută de energie decât dacă era singură (dacă nu era în contact cu un vecin). Moleculele interioare au un număr maxim de vecini, dar moleculelor de margine le lipsesc din vecini (comparativ cu moleculele interioare) și, prin urmare, au o energie mai mare. Pentru ca lichidul să-și minimizeze starea de energie, numărul de molecule de la limita superioară a energiei trebuie să fie redus la minimum. Numărul minim de molecule limită are ca rezultat o suprafață minimă. Ca rezultat al minimizării suprafeței, o suprafață va prelua forma cea mai netedă pe care o poate face (dovada matematică că formele „netede” minimizează suprafața se bazează pe utilizarea ecuației Euler-Lagrange). Deoarece orice curbură în forma suprafeței are ca rezultat o suprafață mai mare, va rezulta și o energie mai mare. În consecință, suprafața se va împinge înapoi împotriva oricărei curburi în același fel în care o minge împinsă în sus va împinge înapoi pentru a reduce la minimum potențialul său gravitațional.

Efectele tensiunii de suprafață

Apa

Mai multe efecte ale tensiunii de suprafață pot fi observate cu apa obișnuită:

1. Picăturile apei de ploaie pe o suprafață cerată, cum ar fi o frunză. Apa aderă slab la ceară și puternic la sine însăși, astfel încât apa se strânge în picături. Tensiunea superficială le conferă forma lor aproape sferică, deoarece o sferă are cel mai mic raport suprafață/volum posibil.
2. Formarea picăturilor apare când se întinde o masă de lichid. Apa aderând la robinet câștigă masa până și este întinsă până la un punct în care tensiunea superficială nu mai poate menține picătura legată de robinet. Se separă apoi și tensiunea superficială dă picaturii forma sferică. În cazul în care un curent de apă se scurge de la robinet, jetul s-ar diviza în picături în timpul căderii sale. Gravitația întinde jetul, apoi tensiunea superficială îl divizează în sfere.
3. Plutirea obiectelor mai dense decât apa are loc atunci când obiectul este neumectabil și greutatea sa este suficient de mică pentru a fi suportată de forțele care rezultă din tensiunea superficială. De exemplu, isectele pe apă utilizează tensiunea superficială pentru a merge pe suprafața unui iaz astfel. Neumectabilitatea piciorului insectei înseamnă că nu există nici o atracție între moleculele piciorului și moleculele apei, astfel încât atunci când piciorul împinge în jos pe apă, tensiunea superficială a apei încearcă doar să-și recupereze planeitatea de la deformarea datorată piciorului. Acest comportament al apei împinge insecta în sus, astfel încât aceasta să poată sta pe suprafața apei, atâta timp cât masa este suficient de mică încât apa să o susțină. Suprafața apei se comportă ca o peliculă elastică: picioarele insectelor provoacă adâncituri în suprafața apei, crescând suprafeței ei și tendința de a minimiza curbura suprafeței (și deci a suprafeței) apei împingând picioarele insectelor în sus.
4. Separarea uleiului și a apei (sau apă și ceară lichidă) este cauzată de o tensiune în suprafața dintre lichide diferite. Acest tip de tensiune superficială se numește „tensiune de interfață”, dar chimia sa este aceeași.
5. ”Lacrimile de vin” constau în formarea picăturilor și a râurilor pe partea unui pahar care conține o băutură alcoolică. Cauza sa este o interacțiune complexă între diferitele tensiuni de suprafață ale apei și al etanolului; este indusă de o combinație de modificare a tensiunii de suprafață a apei cu etanol împreună cu etanolul care se evaporă mai repede decât apa.

Surfactanţi

Tensiunile de suprafață sunt vizibile în alte fenomene comune, în special atunci când agenții tensioactivi sunt utilizați pentru diminuarea ei:

• Bulele de săpun au suprafețe foarte mari, cu o masă foarte mică. Bulele în apă pură sunt instabile. Adăugarea surfactanților poate totuși să aibă un efect stabilizator asupra bulelor (efectul Marangoni). Rețineți că surfactanții reduc efectiv tensiunea superficială a apei cu un factor de trei sau mai mult.
• Emulsiile sunt un tip de coloid în care tensiunea superficială joacă un rol important. Micile fragmente de ulei suspendate în apă pură se vor aduna spontan în mase mult mai mari. Dar prezența unui agent tensioactiv oferă o scădere a tensiunii superficiale, ceea ce permite stabilitatea picăturilor de ulei în cantitatea mare de apă (sau invers).