11.5
Tensión Superficial, Acción Capilar y Viscocidad
Tensión superficial
Las diversas FIM entre moléculas idénticas de una sustancia son ejemplos de fuerzas cohesivas. Las moléculas dentro de un líquido…
Alguna vez se preguntó por qué flota una moneda de yenes cuando se coloca cuidadosamente sobre el agua? La mayoría de las propiedades de los líquidos están dictadas por fuerzas intermoleculares. Las fuerzas de atracción entre moléculas similares en una sustancia también se denominan fuerzas cohesivas.
En el agua, las fuerzas cohesivas tiran de las moléculas interiores en todas las direcciones por igual, lo que da como resultado una fuerza neta cero en promedio, mientras que las moléculas de la superficie solo experimentan un desplazamiento hacia abajo, lo que hace que las moléculas se agrupen muy juntas. Las moléculas interiores son energéticamente más estables que las moléculas en la superficie porque experimentan más cohesión, lo que reduce su energía potencial. Los fluidos, por lo tanto, tratan de reducir su energía potencial minimizando la superficie, creando una superficie bajo tensión que se comporta como una membrana elástica.
La energía necesaria para aumentar el área de la superficie de un líquido en una cantidad unitaria se llama tensión superficial, que a menudo se mide en julios por metro cuadrado. Las fuerzas adhesivas, por el contrario, existen entre moléculas diferentes, como el agua y el vidrio. Al colocar un tubo capilar estrecho en agua, las moléculas de agua se esparcen por las superficies del tubo por adherencia, aumentando el área superficial del líquido y arrastrando el resto del líquido por cohesión.
El líquido en el capilar sube hasta que la gravedad supera las fuerzas adhesivas y cohesivas. Este fenómeno se llama acción capilar. Para el agua, las fuerzas adhesivas entre el agua y el vidrio son más fuertes que las fuerzas cohesivas, lo que da como resultado un menisco cóncavo o curvado hacia adentro.
Para el mercurio, las fuerzas cohesivas superan a las fuerzas adhesivas, lo que resulta en un menisco convexo. La viscosidad expresa la resistencia de un líquido al fluir y a menudo se mide en equilibrio, o gramos por centímetro-segundo. Considere el metanol y el glicerol.
Aunque ambos forman enlaces de hidrógeno, el glicerol tiene tres grupos OH en lugar de uno y forma más enlaces de hidrógeno por molécula. Esto da como resultado una atracción más fuerte entre las moléculas de glicerol, lo que hace que el glicerol sea más viscoso que el metanol. La viscosidad está influenciada por las formas moleculares.
Los hidrocarburos de masas y longitudes molares crecientes interactúan en áreas más grandes y se enredan con mayor frecuencia, lo que resulta en fuerzas de dispersión más fuertes y viscosidades más altas. Por último, la viscosidad depende de la temperatura. El aumento de la energía térmica debilita las fuerzas intermoleculares, correspondientes a las moléculas que se mueven más libremente y los líquidos fluyen más rápido a temperaturas más altas.
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Q1: Why does water form a sphere when it drops?
Water minimizes its surface area by forming a sphere because surface molecules experience unbalanced attractive forces. Interior molecules are pulled equally in all directions by cohesive forces, but surface molecules are attracted only downward. This creates surface tension, causing the liquid to contract into the shape with the lowest surface-area-to-volume ratio, which is a sphere.
Q2: What causes water to climb up the inside of a glass tube?
Water climbs glass tubes through capillary action, driven by adhesive forces between water and glass that exceed cohesive forces within water. Water molecules spread along the tube's surfaces via adhesion, drawing the rest of the liquid upward by cohesion. This continues until gravity balances the adhesive and cohesive forces, with narrower tubes allowing water to rise higher.
Q3: Why does mercury form a different meniscus shape than water in a tube?
Mercury forms a convex meniscus because its cohesive forces between mercury atoms far exceed adhesive forces with glass. In contrast, water forms a concave meniscus because adhesive forces between water and glass are stronger than cohesive forces within water. The relative strength of these intermolecular forces determines whether the liquid wets or beads on a surface.
Q4: Why is glycerol more viscous than methanol?
Glycerol is more viscous than methanol because it has three hydroxyl groups that form more hydrogen bonds per molecule, creating stronger intermolecular attractions. Although both liquids form hydrogen bonds, glycerol's additional bonding sites result in greater resistance to flow. Stronger intermolecular forces make molecules move less freely, increasing viscosity.
Q5: How does temperature affect a liquid's viscosity?
Increased temperature decreases viscosity because thermal energy weakens intermolecular forces, allowing molecules to move more freely. As kinetic energy increases, molecules can overcome the attractive forces holding them together more easily. This enables liquids to flow faster at higher temperatures, reducing their resistance to flow.
Q6: Why do longer hydrocarbon molecules have higher viscosity?
Longer hydrocarbon molecules have higher viscosity because they interact over greater surface areas and entangle more frequently, strengthening dispersion forces between them. These increased intermolecular interactions create greater resistance to flow. Hydrocarbons with increasing molar masses and lengths experience stronger attractions, making them more viscous than shorter chain hydrocarbons.
Q7: How do cohesive and adhesive forces differ in their effects on liquids?
Cohesive forces are attractions between identical molecules within a liquid, while adhesive forces are attractions between different molecules, such as water and glass. Cohesive forces cause liquids to minimize surface area and resist spreading. Adhesive forces determine whether a liquid wets a surface or beads up, depending on their relative strength compared to cohesive forces.