11.5
Napięcie powierzchniowe, działanie kapilarne i lepkość
Napięcie powierzchniowe
Przykładami sił spójności są różne IMF pomiędzy identycznymi cząsteczkami substancji. Cząsteczki cieczy są otoczone przez inne…
Czy zastanawiałeś się kiedyś, dlaczego moneta jenowa, po ostrożnym umieszczeniu na wodzie, unosi się na wodzie?
Większość właściwości cieczy jest podyktowana siłami międzycząsteczkowymi. Siły przyciągania między podobnymi cząsteczkami w substancji nazywane są siłami kohezyjnymi.
W wodzie siły kohezyjne przyciągają cząsteczki wewnętrzne równomiernie we wszystkich kierunkach, co daje średnio zerową siłę wypadkową, podczas gdy cząsteczki powierzchniowe doświadczają tylko przyciągania w dół, co powoduje, że cząsteczki pakują się blisko siebie.
Cząsteczki wewnętrzne są bardziej stabilne energetycznie niż cząsteczki powierzchniowe, ponieważ doświadczają większej spójności, co obniża ich energię potencjalną.
Płyny starają się zatem zmniejszyć swoją energię potencjalną, minimalizując powierzchnię, tworząc powierzchnię pod napięciem, która zachowuje się jak elastyczna membrana.
Energia potrzebna do zwiększenia powierzchni cieczy o jednostkę wielkości nazywana jest napięciem powierzchniowym, które często mierzy się w dżulach na metr kwadratowy.
Z kolei siły adhezyjne występują między różnymi cząsteczkami, takimi jak woda i szkło.
Po umieszczeniu wąskiej rurki kapilarnej w wodzie, cząsteczki wody rozprzestrzeniają się po powierzchni rurki poprzez adhezję, zwiększając powierzchnię cieczy i wciągając resztę cieczy ze sobą przez kohezję. Ciecz w kapilarze unosi się, aż grawitacja pokona siły adhezyjne i kohezyjne. Zjawisko to nazywa się działaniem kapilarnym.
W przypadku wody siły adhezyjne między wodą a szkłem są silniejsze niż siły kohezyjne, co skutkuje wklęsłym lub zakrzywionym do wewnątrz meniskiem. W przypadku rtęci siły kohezyjne przeważają nad siłami adhezyjnymi, co skutkuje wypukłym menisku.
Lepkość wyraża opór przepływu cieczy i często jest mierzona w równowadze, czyli gramach na centymetr sekundy,
Rozważ metanol i glicerol. Chociaż oba tworzą wiązania wodorowe, glicerol ma trzy grupy –OH zamiast jednej i tworzy więcej wiązań wodorowych na cząsteczkę. Powoduje to silniejsze przyciąganie między cząsteczkami glicerolu, dzięki czemu glicerol jest bardziej lepki niż metanol.
Na lepkość mają wpływ kształty molekularne. Węglowodory o rosnących masach molowych i długościach oddziałują na większych obszarach i częściej się plączą, co skutkuje silniejszymi siłami dyspersji i wyższą lepkością.
Wreszcie, lepkość zależy od temperatury. Zwiększona energia cieplna osłabia siły międzycząsteczkowe, odpowiadające cząsteczkom poruszającym się swobodniej i cieczom, które w ten sposób płyną szybciej w wyższych temperaturach.
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.