Поверхностное натяжение, капиллярное действие и вязкость

Вы когда-нибудь задумывались, почему монета плавает, если ее осторожно положить на воду? Большинство свойств жидкостей определяется межмолекулярными силами. Силы притяжения между сходными молекулами в веществе также называются силами когезии.

В воде силы когезии тянут внутренние молекулы одинаково во всех направлениях, что приводит в среднем к нулевой результирующей силе, в то время как поверхностные молекулы испытывают только тянущее усилие, которое заставляет молекулы плотно упаковываться друг с другом. Внутренние молекулы более энергетически стабильны, чем поверхностные молекулы, потому что они обладают большей когезией, что снижает их потенциальную энергию. Таким образом, жидкости стремятся уменьшить свою потенциальную энергию за счет минимизации площади поверхности, создавая поверхность под натяжением, которая ведет себя как эластичная мембрана.

Энергия, необходимая для увеличения площади поверхности жидкости на единицу величины, называется ее поверхностным натяжением, которое часто измеряется в джоулях на квадратный метр. Сила адгезии, напротив, существует между разнородными молекулами, такими как вода и стекло. При погружении узкой капиллярной трубки в воду молекулы воды распространяются по ее поверхности посредством адгезии, увеличивая площадь поверхности жидкости и увлекая за собой остальную жидкость за счет когезии.

Жидкость в капилляре поднимается, пока сила тяжести не преодолеет силы адгезии и когезии. Это явление называется капиллярным эффектом. Для воды силы адгезии между водой и стеклом сильнее, чем силы когезии, что приводит к образованию вогнутого или загнутого внутрь мениска.

Для ртути силы когезии перевешивают силы адгезии, что приводит к образованию выпуклого мениска. Вязкость выражает сопротивление жидкости течению и часто измеряется в пуазах или грамм-сантиметрах в секунду. Рассмотрим метанол и глицерин.

Хотя оба образуют водородные связи, глицерин имеет три группы ОН вместо одной и образует больше водородных связей на молекулу. Это приводит к более сильному притяжению между молекулами глицерина, что делает глицерин более вязким, чем метанол. На вязкость влияет форма молекул.

Углеводороды с увеличивающейся молярной массой и длиной взаимодействуют на больших площадях и чаще связываются, что приводит к более сильным дисперсионным силам и более высокой вязкости. Наконец, вязкость зависит от температуры. Повышенная тепловая энергия ослабляет межмолекулярные силы, в результате чего молекулы движутся более свободно, а жидкости текут быстрее при более высоких температурах.