Oberflächenspannung, Kapillarwirkung und Viskosität

Oberflächenspannung

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

Unter Oberflächenspannung versteht man die Energie, die erforderlich ist, um die Oberfläche einer Flüssigkeit zu vergrößern, bzw. die Kraft, die erforderlich ist, um die Länge einer Flüssigkeitsoberfläche um einen bestimmten Betrag zu vergrößern. Diese Eigenschaft resultiert aus den Kohäsionskräften zwischen Molekülen an der Oberfläche einer Flüssigkeit und führt dazu, dass sich die Oberfläche einer Flüssigkeit wie eine gedehnte Gummimembran verhält. Unter den üblichen Flüssigkeiten weist Wasser aufgrund der starken Wasserstoffbrückenbindung zwischen seinen Molekülen eine deutlich hohe Oberflächenspannung auf. Aufgrund dieser hohen Oberflächenspannung stellt die Wasseroberfläche eine relativ „zähe Haut“ dar, die erheblichen Kräften standhalten kann, ohne zu brechen. Eine vorsichtig auf dem Wasser platzierte Stahlnadel schwimmt. Manche Insekten bewegen sich auf der Oberfläche, obwohl sie dichter als Wasser sind, weil sie durch die Oberflächenspannung unterstützt werden.

Adhäsions- und Kohäsionskräfte

Die Anziehungskräfte zwischen zwei verschiedenen Molekülen werden Adhäsionskräfte genannt. Überlegen Sie, was passiert, wenn Wasser mit einer Oberfläche in Kontakt kommt. Wenn die Adhäsionskräfte zwischen Wassermolekülen und den Molekülen der Oberfläche im Vergleich zu den Kohäsionskräften zwischen den Wassermolekülen schwach sind, „benetzt“ das Wasser die Oberfläche nicht. Wasser benetzt beispielsweise gewachste Oberflächen und viele Kunststoffe wie Polyethylen nicht. Auf diesen Oberflächen bilden sich Wassertropfen, weil die Kohäsionskräfte innerhalb der Tropfen größer sind als die Adhäsionskräfte zwischen Wasser und Kunststoff. Wasser breitet sich auf Glas aus, weil die Adhäsionskraft zwischen Wasser und Glas größer ist als die Kohäsionskräfte im Wasser. Wenn Wasser in einem Glasrohr eingeschlossen ist, hat sein Meniskus (Oberfläche) eine konkave Form, da das Wasser das Glas benetzt und an der Seite des Rohrs nach oben kriecht. Andererseits sind die Kohäsionskräfte zwischen Quecksilberatomen viel größer als die Adhäsionskräfte zwischen Quecksilber und Glas. Quecksilber benetzt daher Glas nicht und bildet einen konvexen Meniskus, wenn es in einer Röhre eingeschlossen ist, da die Kohäsionskräfte im Quecksilber dazu neigen, es in einen Tropfen zu ziehen.

Kapillarwirkung

Wenn ein Ende eines Papiertuchs in verschütteten Wein gelegt wird, wird die Flüssigkeit vom Papiertuch aufgesaugt. Ein ähnlicher Vorgang findet bei einem Stoffhandtuch statt, wenn Sie es nach dem Duschen zum Abtrocknen verwenden. Dies sind Beispiele für Kapillarwirkung – wenn eine Flüssigkeit aufgrund der Anziehungskraft der Flüssigkeitsmoleküle auf die Oberfläche des Materials und auf andere Flüssigkeitsmoleküle in einem porösen Material fließt. Die Adhäsionskräfte zwischen der Flüssigkeit und dem porösen Material können in Kombination mit den Kohäsionskräften innerhalb der Flüssigkeit stark genug sein, um die Flüssigkeit entgegen der 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 Cellulosemolekülen, die viele −OH-Gruppen enthalten. Wassermoleküle werden von diesen −OH-Gruppen angezogen und bilden mit ihnen Wasserstoffbrückenbindungen, wodurch die H2O-Moleküle zu den Cellulosemolekülen hinaufgezogen werden. Die Wassermoleküle werden auch voneinander angezogen, sodass große Mengen Wasser in die Zellulosefasern gezogen werden.

Kapillarwirkung kann auch auftreten, wenn ein Ende eines Röhrchens mit kleinem Durchmesser in eine Flüssigkeit eingetaucht wird. Wenn die Flüssigkeitsmoleküle stark von den Röhrenmolekülen angezogen werden, kriecht die Flüssigkeit an der Innenseite der Röhre hinauf, bis das Gewicht der Flüssigkeit und die Adhäsionskräfte im Gleichgewicht sind. Je kleiner der Durchmesser des Rohres ist, desto höher steigt die Flüssigkeit.

Viskosität

Wenn Sie ein Glas Wasser einschenken oder ein Auto mit Benzin füllen, fließen Wasser und Benzin frei. Aber wenn man Sirup auf Pfannkuchen gießt oder Öl in einen Automotor einfüllt, fließen Sirup und Motoröl nicht so leicht. Die Viskosität einer Flüssigkeit ist ein Maß für ihren Strömungswiderstand. Wasser, Benzin und andere frei fließende Flüssigkeiten haben eine niedrige Viskosität. Honig, Sirup, Motoröl und andere Flüssigkeiten, die nicht frei fließen, haben eine höhere Viskosität. 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 schmales Rohr fließt (viskosere Flüssigkeiten fließen langsamer).

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

Dieser Text wurde adaptiert von Openstax, Chemistry 2e, Section 10.2: Properties of Liquids.