11.5
Tension superficielle, capillarité et viscosité
Tension superficielle
Les différentes Fim entre les molécules identiques d'une substance sont des exemples de forces de cohésion. Les molécules à l'in…
Vous êtes-vous déjà demandé pourquoi une pièce de yen, lorsqu'elle est soigneusement placée sur l'eau, flotte? La plupart des propriétés des liquides sont dictées par les forces intermoléculaires. Les forces d'attraction entre molécules similaires dans une substance sont également appelées des forces cohésives.
Dans l'eau, les forces cohésives tirent les molécules intérieures de manière égale dans toutes les directions, résultant en force nette nulle en moyenne, tandis que les molécules de surface n'éprouvent qu'une traction vers le bas, ce qui entraîne un regroupement étroit des molécules. Les molécules intérieures sont plus stables énergétiquement que les molécules de surface parce qu'elles éprouvent plus de cohésion, ce qui réduit leur énergie potentielle. Les fluides tentent donc de réduire leur énergie potentielle en minimisant la surface, en créant une surface sous tension qui agit comme une membrane élastique.
L'énergie nécessaire pour augmenter la surface d'un liquide d'une quantité unitaire est appelée tension superficielle, qui est souvent mesurée en joules par mètre carré. Les forces adhésives, en revanche, existent entre des molécules différentes, telles que l'eau et le verre. En plaçant un tube capillaire étroit dans l'eau, les molécules d'eau se répandent le long des surfaces du tube par adhérence, augmentant la surface du liquide et aspire le reste du liquide avec lui par cohésion.
Le liquide dans le capillaire monte jusqu'à ce que la gravité franchi les forces adhésives et cohésives. Ce phénomène s'appelle l'action capillaire. Pour l'eau, les forces adhésives entre l'eau et le verre sont plus fortes que les forces cohésives, résultant en un ménisque concave ou incurvé vers l'intérieur.
Pour le mercure, les forces cohésives l'emportent sur les forces adhésives, résultant en un ménisque convexe. La viscosité exprime la résistance d'un liquide à l'écoulement et est souvent mesurée en équilibre, ou en grammes par centimètre-seconde, Considérez le méthanol et le glycérol. Bien que les deux forment des liaisons hydrogène, le glycérol a trois groupes OH au lieu d'un, et forme plus de liaisons hydrogène par molécule.
Cela résulte dans une attraction plus forte entre les molécules de glycérol, rendant le glycérol plus visqueux que le méthanol. La viscosité dépend des formes moléculaires. Les hydrocarbures de masses et de longueurs molaires croissantes interagissent sur de plus grandes surfaces et se mêlent plus fréquemment, résultant en des forces de dispersion plus fortes et des viscosités plus élevées.
Enfin, la viscosité dépend de la température. Une énergie thermique accrue affaiblit les forces intermoléculaires, correspondant à des molécules en mouvement plus libre et les liquides s'écoulent plus rapidement à des températures plus élevées.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
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.