11.5
Oppervlaktespanning, capillaire werking en viscositeit
Oppervlaktespanning
De verschillende IMF's tussen identieke moleculen van een stof zijn voorbeelden van cohesiekrachten. De moleculen in een vloeistof…
Heb je je ooit afgevraagd waarom een yen-munt, wanneer hij voorzichtig op water wordt geplaatst, blijft drijven? De meeste eigenschappen van vloeistoffen worden bepaald door intermoleculaire krachten. De aantrekkingskracht tussen vergelijkbare moleculen in een stof worden ook wel cohesiekrachten genoemd.
In water trekken de cohesiekrachten inwendige moleculen gelijkmatig in alle richtingen, wat resulteert in gemiddeld nul netto kracht, terwijl oppervlaktemoleculen slechts een neerwaartse trek ervaren, waardoor de moleculen dicht bij elkaar komen te zitten. De inwendige moleculen zijn energetisch stabieler dan oppervlaktemoleculen omdat ze meer cohesie ervaren, wat hun potentiële energie verlaagt. Vloeistoffen proberen daarom hun potentiële energie te verminderen door het oppervlak te minimaliseren, waardoor een oppervlak onder spanning ontstaat dat zich gedraagt als een elastisch membraan.
De energie die nodig is om het oppervlak van een vloeistof met een eenheidshoeveelheid te vergroten, wordt de oppervlaktespanning genoemd, die vaak wordt gemeten in joules per vierkante meter. Aanhechtingskrachten daarentegen bestaan tussen ongelijke moleculen, zoals water en glas. Bij het plaatsen van een smalle capillaire buis in water, verspreiden de watermoleculen zich via adhesie langs de oppervlakken van de buis, waardoor het vloeistofoppervlak wordt vergroot en de rest van de vloeistof door cohesie wordt meegenomen.
De vloeistof in het capillair stijgt totdat de zwaartekracht de adhesieve en cohesieve krachten overwint. Dit fenomeen wordt capillaire werking genoemd. Voor water zijn de adhesiekrachten tussen water en glas sterker dan de cohesiekrachten, resulterend in een concave of naar binnen gebogen meniscus.
Voor kwik wegen de cohesiekrachten op tegen de adhesiekrachten, wat resulteert in een bolle meniscus. Viscositeit drukt de weerstand van een vloeistof tegen stroming uit en wordt vaak gemeten in evenwicht, of gram per centimeter-seconde. Denk aan methanol en glycerol.
Hoewel beide waterstofbruggen vormen, heeft glycerol drie OH-groepen in plaats van één en vormt het meer waterstofbruggen per molecuul. Dit resulteert in een sterkere aantrekkingskracht tussen glycerolmoleculen, waardoor glycerol stroperiger wordt dan methanol. Viscositeit wordt beïnvloed door moleculaire vormen.
Koolwaterstoffen met toenemende molecuulmassa's en lengtes interageren over grotere gebieden en verstrengelen vaker, wat resulteert in sterkere dispersiekrachten en hogere viscositeiten. Ten slotte hangt de viscositeit af van de temperatuur. Verhoogde thermische energie verzwakt intermoleculaire krachten, wat overeenkomt met moleculen die vrijer bewegen en vloeistoffen dus sneller stromen bij hogere temperaturen.
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.