11.5
Tensão Superficial, Ação Capilar, e Viscosidade
Tensão Superficial
As várias FIMs entre moléculas idênticas de uma substância são exemplos de forças coesas. As moléculas dentro de um líquido estão r…
Alguma vez se perguntou porque uma moeda de iene, quando cuidadosamente colocada sobre a água, flutua, a maioria das propriedades dos líquidos são ditadas pelas forças intermoleculares. As forças atrativas entre moléculas semelhantes numa substância são também chamadas de forças coesivas. Na água, as forças coesivas puxam as moléculas interiores igualmente em todas as direções, resultando em média, na força líquida zero, enquanto as moléculas de superfície experimentam apenas um puxar para baixo, que faz com que as moléculas se agrupem bem juntas.
As moléculas interiores são mais estáveis energeticamente do que as moléculas de superfície porque elas experimentam uma maior coesão, que diminui a sua energia potencial. Os líquidos, portanto, tentam reduzir a sua energia potencial minimizando a área de superfície, criando uma superfície sob tensão que se comporta como uma membrana elástica. A energia necessária para aumentar uma área de superfície do líquido por uma unidade é chamada a sua tensão superficial, que é frequentemente medida em joules por metro-quadrado.
As forças adesivas, em contraste, existem entre moléculas diferentes, como a água e o vidro. Ao colocar um estreito tubo capilar na água, as moléculas da água espalhadas ao longo das superfícies do tubo por adesão, aumentam a área de superfície do líquido e desenham o resto do líquido com ele por coesão. O líquido nos capilares aumenta até que a gravidade ultrapassa as forças adesivas e coesivas.
Este fenómeno é chamado de ação capilar. Para a água, as forças adesivas entre a água e o vidro são mais fortes do que as forças coesivas, resultando num menisco côncavo, ou curvatura interior. Para o mercúrio, as forças coesivas superam as forças adesivas, resultando num menisco convexo.
A viscosidade expressa uma resistência do líquido ao fluxo e é frequentemente medido em equilíbrio, ou gramas por centímetro-segundo, Consideremos o metanol e o glicerol. Embora ambos formem ligações de hidrogênio, o glicerol tem três grupos OH em vez de um e forma mais ligações de hidrogênio por molécula. Isto resulta numa atração mais forte entre as moléculas de glicerol, tornando o glicerol mais viscoso do que o metanol.
A viscosidade é influenciada por formas moleculares. Os hidrocarbonetos de massas molares e comprimentos maiores interagem em áreas maiores e enredam com mais frequência, resultando em forças de dispersão mais forte e viscosidades mais elevadas. Finalmente, a viscosidade depende da temperatura.
O aumento da energia térmica enfraquece as forças intermoleculares, correspondente as moléculas em movimento mais livre e líquidos que fluem assim mais rapidamente a temperaturas mais elevadas.
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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.