Tensione interfacciale e applicazioni

La Definizione della Tensione Interfaciale

La tensione interfacciale rappresenta la forza per unità di lunghezza che si manifesta tra due fasi non mescolanti. In senso più ampio, si può definire come il lavoro richiesto per aumentare le dimensioni dell’interfaccia tra due fasi adiacenti immiscibili. Questo concetto è espresso in dine/cm o mN/m e si applica alle interfacce liquido-liquido, liquido-solido e liquido-gas.

Cause della Tensione Interfaciale

La presenza di tensione interfacciale è dovuta alle diverse interazioni molecolari che le molecole vicino all’interfaccia hanno rispetto a quelle all’interno del fluido. Le tensioni interfacciali presentano valori minori rispetto alle tensioni superficiali a causa delle forze di adesione predominanti tra le due fasi che si formano all’interfaccia.

Le Forze Coinvolte e l’Equilibrio dell’Interfaccia

Le forze coinvolte nella tensione interfacciale derivano dalle interazioni tra molecole della stessa specie tramite forze di coesione. Negli ambienti aria-liquido e aria-solido, le forze coesive possono essere molto significative, contribuendo alla formazione della tensione superficiale e dell’energia libera superficiale. Quando si verificano contatti tra due liquidi immiscibili o tra un liquido e un solido, le forze di adesione tra molecole diverse giocano un ruolo determinante nell’equilibrio delle forze all’interfaccia.

Equazione di Young e Tensione Interfaciale

L’equazione di Young, proposta nel 1805 da Thomas Young, si basa sull’idea di una superficie solida ideale con proprietà lisce, inerti, indeformabili e omogenee. Questa equazione considera il sistema composto da una gocciolina liquida posta su una superficie solida che tende a raggiungere uno stato di equilibrio con energia minima.

La formula dell’equazione di Young è:

cos θ_γ = γ_sv – γ_sl/ γ_lv

dove θ_γ rappresenta l’angolo di contatto all’equilibrio, γ_sv è la tensione di interfaccia tra solido e vapore, γs è la tensione di interfaccia solido-liquido e γ_lv è la tensione interfacciale liquido-vapore. Questa equazione considera il ruolo fondamentale della tensione di interfaccia e come essa influenzi la bagnabilità delle superfici solide, considerando anche altri parametri come rugosità e eterogeneità.

L’importante scoperta di Young

Thomas Young, fisico e medico britannico, ha svolto studi approfonditi sul comportamento delle gocce di liquido su una superficie solida. Young ha dimostrato che quando una goccia di liquido si trova su una superficie solida, il suo perimetro può muoversi, espandendosi o contrarsi, fino a raggiungere un angolo specifico θ.

Applicazioni industriali

Le misurazioni della tensione superficiale tra due liquidi non miscibili sono fondamentali in diverse industrie, come ad esempio nel settore petrolifero durante la lavorazione del petrolio greggio. Il petrolio greggio spesso si presenta come un’emulsione composta da acqua e una fase non acquosa, con varie sostanze disciolte.

Risulta cruciale rimuovere l’acqua dall’emulsione prima del processo di raffinazione. Quando due liquidi non miscibili sono a contatto, cercano di mantenere una superficie di contatto minima a causa dell’energia associata alla loro interfaccia. Ciò rende difficile mescolarli, in quanto tendono a formare goccioline sferiche per minimizzare la superficie di contatto e mantenere una tensione superficiale stabile.

Stabilità delle emulsioni e separazione delle fasi

Laddove le emulsioni sono stabili, separare le due fasi diventa un compito arduo. Tuttavia, la riduzione della tensione superficiale può compromettere la stabilità dell’emulsione, rendendo possibile la separazione della fase acquosa. Questo processo può essere facilitato mediante l’uso di tensioattivi, che favoriscono la mobilizzazione della fase organica dopo il contatto con l’acqua.