11.5
מתח פנים
ה-IMFs השונים בין מולקולות זהות של חומר הן דוגמאות לכוחות מלוכדים. המולקולות בתוך נוזל מוקפות במולקולות אחרות ונמשכות באופן שווה לכל הכיוונים…
תהיתם פעם מדוע מטבע ין המונח בקפידה על מים, צף על פניהם? רוב המאפיינים של נוזלים מוכתבים על ידי כוחות בין-מולקולריים. כוחות המשיכה בין מולקולות דומות בחומר נקראים כוחות קוהזיה.
במים, כוחות הקוהזיה מושכים מולקולות פנימיות במידה שווה בכל הכיוונים, מה שמוביל לכוח נטו אפס בממוצע, בעוד המולקולות שעל פני השטח חוות רק משיכה כלפי מטה, שגורמת למולקולות להצטופף יחד. המולקולות הפנימיות יציבות יותר מבחינה אנרגטית לעומת מולקולות שעל פני השטח, מפני שהן חוות יותר קוהזיה, מה שמפחית את האנרגיה הפוטנציאלית שלהן. נוזלים, אם כן, מנסים להפחית את האנרגיה הפוטנציאלית שלהם על ידי מזעור שטח הפנים ויוצרים אזור מתוח, שמתנהג כמו קרום אלסטי.
יחידת האנרגיה הדרושה להגדלת שטח הפנים של הנוזל נקראת מתח הפנים שלו, אשר נמדד לעתים קרובות בג'ול למטר מרובע. כוחות אדהזיה, לעומת זאת, מתקיימים בין מולקולות שונות, כגון מים וזכוכית. עם הצבת צינור נימי צר במים, מולקולות המים מתפשטות לאורך משטחי הצינור באמצעות אדהזיה, מגדילות את שטח הפאה של הנוזל ומושכות איתן את שאר הנוזלים באמצעות קוהזיה.
הנוזל בצינור הנימי עולה עד שכוח המשיכה גובר על כוחות האדהזיה והקוהזיה. תופעה זו מכונה תופעת הנימיות"במקרה של מים, כוחות האדהזיה בין מים לזכוכית חזקים יותר מכוחות הקוהזיה, מה שגורם למניסקוס קעור, או מתעקל כלפי פנים. במקרה של כספית, כוחות הקוהזיה גוברים על כוחות האדהזיה, וגורמים למניסקוס קמור.
צמיגות מבטאת את עמידות הנוזל בפני זרימה ונמדדת לעיתים קרובות ביחידות פואז, או גרם לסנטימטר שנייה. קחו לדוגמה, מתנול וגליצרול. למרות ששניהם יוצרים קשרי מימן, לגליצרול יש שלוש קבוצות OH במקום אחת והוא יוצר יותר קשרי מימן למולקולה.
כתוצאה מכך מתקיימת משיכה חזקה יותר בין מולקולות גליצרול, ולכן גליצרול צמיגי יותר מאשר מתנול. צמיגות מושפעת מצורות מולקולריות. פחמימנים עם מסות מולריות ואורכים גדולים מקיימים אינטראקציה על פני אזורים גדולים יותר ונקשרים בתדירות גבוהה יותר, וכתוצאה מכך, כוחות הפיזור שלהם חזקים יותר והצמיגות גבוה.
לבסוף, צמיגות תלוי בטמפרטורה. אנרגיה תרמית מוגברת מחלישה כוחות בין-מולקולריים, בהלימה לכך שהמולקולות נעות באופן חופשי יותר ונוזלים זורמים מהר יותר בטמפרטורות גבוהות יותר.
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.