Napięcie powierzchniowe, działanie kapilarne i lepkość

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.