11.5
表面張力
物質の同一分子間のさまざまなIMFが凝集力の例です。液体内の分子は他の分子に囲まれているので、液体内の凝集力によってあらゆる方向に均等に引き寄せられます。しかし、液体の表面にある分子は、約2分の1の数の分子にしか引き寄せられません。このように表面の分子の引き合う力が偏っているため、液体は収…
円貨が水面に丁寧に置かれると、なぜ浮くのか疑問に思ったことはありませんか?
液体のほとんどの特性は、分子間力によって決定されます。物質内の類似した分子間の引力は、凝集力と呼ばれます。
水中では、凝集力が内部分子を全方向に均等に引っ張るため、平均して正味の力はゼロになりますが、表面分子は下向きの引っ張りしか受けないため、分子が密集します。
内部分子は、凝集力が高く、位置エネルギーが低下するため、表面分子よりもエネルギー的に安定しています。
したがって、流体は、表面積を最小化することにより位置エネルギーを減少させようとし、弾性膜のように振る舞う張力下の表面を作成します。
液体の表面積を単位量だけ増やすために必要なエネルギーは、表面張力と呼ばれ、多くの場合、メートル四方あたりのジュールで測定されます。
対照的に、接着力は、水とガラスなどの異なる分子間に存在します。
細い毛細管を水中に入れると、水分子が接着によって管の表面に沿って広がり、液体の表面積が増加し、残りの液体が凝集して引き寄せられます。毛細管内の液体は、重力が接着力と凝集力に打ち勝つまで上昇します。この現象を毛細管現象といいます。
水の場合、水とガラスの間の接着力は凝集力よりも強く、その結果、凹面または内側に湾曲したメニスカスが形成されます。水銀の場合、凝集力が接着力を上回り、凸状の半月板が生じます。
粘度は、液体の流れに対する抵抗を表し、多くの場合、ポイズ、またはグラム/センチメートル秒で測定されます。
メタノールとグリセロールを考えてみましょう。どちらも水素結合を形成しますが、グリセロールは1つではなく3つの-OH基を持ち、分子あたりより多くの水素結合を形成します。これにより、グリセロール分子間の引力が強くなり、グリセロールはメタノールよりも粘性が高くなります。
粘度は分子形状の影響を受けます。モル質量と長さが増加する炭化水素は、より広い領域で相互作用し、より頻繁に絡み合うため、より強い分散力とより高い粘度が得られます。
最後に、粘度は温度に依存します。熱エネルギーが増加すると、分子間力が弱まり、分子がより自由に動き、液体が高温でより速く流れるようになります。
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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.