Oberflächenspannung, Kapillarwirkung und Viskosität

Haben Sie sich jemals gefragt, warum eine Yen-Münze, wenn sie vorsichtig auf das Wasser gelegt wird, schwimmt?

Die meisten Eigenschaften von Flüssigkeiten werden von intermolekularen Kräften bestimmt. Die Anziehungskräfte zwischen ähnlichen Molekülen in einer Substanz werden als Kohäsionskräfte bezeichnet.

Im Wasser ziehen die Kohäsionskräfte die inneren Moleküle gleichmäßig in alle Richtungen, was im Durchschnitt zu keiner Nettokraft führt, während Oberflächenmoleküle nur einen Abwärtssog erfahren, was dazu führt, dass die Moleküle eng zusammengedrängt werden.

Die inneren Moleküle sind energetisch stabiler als Oberflächenmoleküle, da sie mehr Kohäsion erfahren, was ihre potentielle Energie senkt.

Flüssigkeiten versuchen daher, ihre potentielle Energie zu reduzieren, indem sie die Oberfläche minimieren und so eine unter Spannung stehende Oberfläche schaffen, die sich wie eine elastische Membran verhält.

Die Energie, die benötigt wird, um die Oberfläche einer Flüssigkeit um eine bestimmte Menge zu vergrößern, wird als Oberflächenspannung bezeichnet, die oft in Joule pro Quadratmeter gemessen wird.

Adhäsionskräfte hingegen bestehen zwischen unterschiedlichen Molekülen, wie Wasser und Glas.

Wenn ein schmales Kapillarrohr in Wasser gelegt wird, verteilen sich die Wassermoleküle durch Adhäsion entlang der Oberflächen des Rohrs, vergrößern die Oberfläche der Flüssigkeit und ziehen den Rest der Flüssigkeit durch Kohäsion mit sich. Die Flüssigkeit in der Kapillare steigt auf, bis die Schwerkraft die Haft- und Kohäsionskräfte überwindet. Dieses Phänomen wird als Kapillarwirkung bezeichnet.

Bei Wasser sind die Adhäsionskräfte zwischen Wasser und Glas stärker als die Kohäsionskräfte, was zu einem konkaven oder nach innen gewölbten Meniskus führt. Bei Quecksilber überwiegen die Kohäsionskräfte gegenüber den Adhäsionskräften, was zu einem konvexen Meniskus führt.

Die Viskosität drückt den Fließwiderstand einer Flüssigkeit aus und wird oft in Haltung oder Gramm pro Zentimetersekunde gemessen.

Betrachten Sie Methanol und Glycerin. Obwohl beide Wasserstoffbrückenbrücken bilden, hat Glycerin drei -OH-Gruppen anstelle von einer und bildet mehr Wasserstoffbrückenbindungen pro Molekül. Dies führt zu einer stärkeren Anziehungskraft zwischen den Glycerinmolekülen, wodurch Glycerin viskoser als Methanol wird.

Die Viskosität wird durch molekulare Formen beeinflusst. Kohlenwasserstoffe mit zunehmenden Molmassen und -längen wechselwirken über größere Flächen und verschränken sich häufiger, was zu stärkeren Dispergierkräften und höheren Viskositäten führt.

Schließlich hängt die Viskosität von der Temperatur ab. Erhöhte thermische Energie schwächt die intermolekularen Kräfte, was dazu führt, dass sich Moleküle freier bewegen und Flüssigkeiten bei höheren Temperaturen schneller fließen.