11.5: Oberflächenspannung, Kapillarwirkung und Viskosität

Oberflächenspannung

Die verschiedenen IMFs zwischen identischen Molekülen einer Substanz sind Beispiele für Kohäsionskräfte. Die Moleküle in einer Flüssigkeit sind von anderen Molekülen umgeben und werden von den Kohäsionskräften innerhalb der Flüssigkeit in alle Richtungen gleichermaßen angezogen. Die Moleküle auf der Oberfläche einer Flüssigkeit werden jedoch nur von etwa halb so vielen Molekülen angezogen. Aufgrund der unausgeglichenen molekularen Anziehungskraft auf den Oberflächenmolekülen ziehen sich Flüssigkeiten zu einer Form zusammen, die die Anzahl der Moleküle auf der Oberfläche minimiert – d. h. die Form mit der minimalen Oberfläche. Ein kleiner Tropfen Flüssigkeit neigt dazu, eine kugelförmige Form anzunehmen. Dies liegt daran, dass das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen in einer Kugel minimal ist. Größere Tropfen werden stärker von der Schwerkraft, dem Luftwiderstand, Oberflächenwechselwirkungen usw. beeinflusst und sind daher weniger kugelförmig.

Die Oberflächenspannung ist definiert als die Energie, die erforderlich ist, um die Oberfläche einer Flüssigkeit zu vergrößern, oder die Kraft, die erforderlich ist, um die Länge einer Flüssigkeitsoberfläche um einen bestimmten Betrag zu erhöhen. Diese Eigenschaft resultiert aus den Kohäsionskräften zwischen Molekülen an der Oberfläche einer Flüssigkeit und bewirkt, dass sich die Oberfläche einer Flüssigkeit wie eine gedehnte Gummimembran verhält. Unter den gängigen Flüssigkeiten weist Wasser aufgrund der starken Wasserstoffbrückenbindung zwischen seinen Molekülen eine deutlich hohe Oberflächenspannung auf. Durch diese hohe Oberflächenspannung stellt die Wasseroberfläche eine relativ “zähe Haut” dar, die erheblichen Kräften standhält, ohne zu brechen. Eine Stahlnadel, die vorsichtig auf das Wasser gelegt wird, schwimmt. Einige Insekten, obwohl sie dichter als Wasser sind, bewegen sich auf seiner Oberfläche, weil sie von der Oberflächenspannung unterstützt werden.

Adhäsions- und Kohäsionskräfte

Die IMFs der Anziehung zwischen zwei verschiedenen Molekülen werden als Adhäsionskräfte bezeichnet. Stellen Sie sich vor, was passiert, wenn Wasser mit einer Oberfläche in Berührung kommt. Sind die Adhäsionskräfte zwischen Wassermolekülen und den Molekülen der Oberfläche schwach im Vergleich zu den Kohäsionskräften zwischen den Wassermolekülen, “benetzt” das Wasser die Oberfläche nicht. Wasser benetzt zum Beispiel gewachste Oberflächen oder viele Kunststoffe wie Polyethylen nicht. Auf diesen Oberflächen bilden sich Wassertröpfchen, weil die Kohäsionskräfte innerhalb der Tropfen größer sind als die Adhäsionskräfte zwischen Wasser und Kunststoff. Wasser breitet sich auf Glas aus, weil die Haftkraft zwischen Wasser und Glas größer ist als die Kohäsionskräfte im Wasser. Wenn Wasser in einer Glasröhre eingeschlossen ist, hat sein Meniskus (Oberfläche) eine konkave Form, da das Wasser das Glas benetzt und an der Seite der Röhre nach oben kriecht. Auf der anderen Seite sind die Kohäsionskräfte zwischen Quecksilberatomen viel größer als die Adhäsionskräfte zwischen Quecksilber und Glas. Quecksilber benetzt daher kein Glas und bildet einen konvexen Meniskus, wenn es in einer Röhre eingeschlossen ist, weil die Kohäsionskräfte im Quecksilber dazu neigen, es in einen Tropfen zu ziehen.

Kapillarwirkung

Wenn ein Ende eines Papiertuchs in verschütteten Wein gelegt wird, saugt die Flüssigkeit das Papiertuch auf. Ein ähnlicher Vorgang tritt bei einem Stoffhandtuch auf, wenn Sie es nach dem Duschen zum Abtrocknen verwenden. Dies sind Beispiele für Kapillarwirkung, d. h. wenn eine Flüssigkeit aufgrund der Anziehungskraft der flüssigen Moleküle auf die Oberfläche des Materials und auf andere flüssige Moleküle in einem porösen Material fließt. Die Adhäsionskräfte zwischen der Flüssigkeit und dem porösen Material, kombiniert mit den Kohäsionskräften innerhalb der Flüssigkeit, können stark genug sein, um die Flüssigkeit gegen die Schwerkraft nach oben zu bewegen.

Handtücher saugen Flüssigkeiten wie Wasser auf, da die Fasern eines Handtuchs aus Molekülen bestehen, die von Wassermolekülen angezogen werden. Die meisten Stoffhandtücher bestehen aus Baumwolle, und Papierhandtücher werden im Allgemeinen aus Papierzellstoff hergestellt. Beide bestehen aus langen Molekülen aus Zellulose, die viele -OH-Gruppen enthalten. Wassermoleküle werden von diesen -OH-Gruppen angezogen und bilden mit ihnen Wasserstoffbrückenbindungen, wodurch die H2O-Moleküle die Zellulosemoleküle nach oben ziehen. Die Wassermoleküle werden auch voneinander angezogen, so dass große Mengen Wasser die Zellulosefasern hinaufgezogen werden.

Eine Kapillarwirkung kann auch auftreten, wenn ein Ende eines Rohrs mit kleinem Durchmesser in eine Flüssigkeit getaucht wird. Werden die flüssigen Moleküle stark von den Röhrenmolekülen angezogen, kriecht die Flüssigkeit im Inneren der Röhre hoch, bis sich das Gewicht der Flüssigkeit und die Haftkräfte die Waage halten. Je kleiner der Durchmesser des Rohres ist, desto höher steigt die Flüssigkeit.

Viskosität

Wenn Sie ein Glas Wasser einschenken oder ein Auto mit Benzin befüllen, fließen Wasser und Benzin ungehindert. Aber wenn Sie Sirup auf Pfannkuchen gießen oder Öl in einen Automotor geben, fließen der Sirup und das Motoröl nicht so leicht. Die Viskosität einer Flüssigkeit ist ein Maß für ihren Fließwiderstand. Wasser, Benzin und andere Flüssigkeiten, die frei fließen, haben eine niedrige Viskosität. Honig, Sirup, Motoröl und andere Flüssigkeiten, die nicht frei fließen, haben höhere Viskositäten. Wir können die Viskosität messen, indem wir die Geschwindigkeit messen, mit der eine Metallkugel durch eine Flüssigkeit fällt (die Kugel fällt langsamer durch eine viskosere Flüssigkeit) oder indem wir die Geschwindigkeit messen, mit der eine Flüssigkeit durch ein enges Rohr fließt (viskosere Flüssigkeiten fließen langsamer).

Die IMFs zwischen den Molekülen einer Flüssigkeit, die Größe und Form der Moleküle und die Temperatur bestimmen, wie leicht eine Flüssigkeit fließt. Je strukturell komplexer das Molekül ist, desto stärker sind die IMFs zwischen ihnen und desto schwieriger ist es für sie, sich aneinander vorbeizubewegen. Flüssigkeiten mit diesen Molekülen sind zähflüssiger. Mit steigender Temperatur bewegen sich die Moleküle schneller und ihre kinetischen Energien sind besser in der Lage, die Kräfte zu überwinden, die sie zusammenhalten; Dadurch sinkt die Viskosität der Flüssigkeit.

Dieser Text wurde übernommen von Openstax, Chemie 2e, Abschnitt 10.2: Eigenschaften von Flüssigkeiten.