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11.5: 表面张力、毛细作用和粘度
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Chemistry

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Surface Tension, Capillary Action, and Viscosity
 
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11.5: 表面张力、毛细作用和粘度

表面张力

物质相同分子之间的各种 分子间力(IMFs) 是凝聚力的示例。 液体中的分子被其他分子包围,在所有方向上都被液体中的凝聚力均匀吸引。 然而,液体表面的分子只被大约一半的分子所吸引。 由于表面分子上的分子吸引力不平衡,液体形成的形状可以最大限度地减少表面分子的数量,即具有最小表面面积的形状。 少量液体倾向于采用球形形状。 这是因为球面上面积与体积的比率是最小的。 较大的跌落更受重力,空气阻力,表面相互作用等的影响,因此球面的影响更小。

表面张力被定义为增加液体表面面积所需的能量或将液体表面长度增加给定数量所需的力。 这种属性源于液体表面分子之间的凝聚力,它使液体表面的行为类似于拉伸的橡胶膜。 在常见液体中,由于分子之间的氢键较强,水的表面张力明显较高。 由于这种高表面张力,水的表面代表了相对“坚韧的皮肤”,可以承受相当大的力而不会破裂。 小心放在水中的钢针将浮动。 一些昆虫,即使比水更密集,也会在其表面移动,因为它们受到表面张力的支持。

附着和凝聚力

两种不同分子之间的吸引力 分子间力(IMFs) 称为附着力。 考虑当水接触某些表面时会发生什么情况。 如果水分子和表面分子之间的附着力与水分子之间的凝聚力相比较弱,则水不会“弄湿”表面。 例如,水不会弄湿蜡状表面或许多塑料 (如聚乙烯)。 这些表面上形成水滴,因为水滴中的凝聚力大于水和塑料之间的附着力。 由于水和玻璃之间的附着力大于水中的凝聚力,水在玻璃上扩散。 当水被限制在玻璃管中时,其弯月形 (表面) 具有凹面形状,因为水会将玻璃编织起来,并在玻璃管的侧面向上爬。 另一方面,汞原子之间的凝聚力远高于汞与玻璃之间的附着力。 因此,汞不会弄湿玻璃,当它被限制在管中时,它会形成凸面弯月形,因为汞中的凝聚力会将其吸入水滴中。

毛细作用

如果将纸巾的一端放入溢出的葡萄酒中,则液体会从纸巾中流出。 淋浴后用布巾擦干时,也会出现类似的情况。 这些是毛细作用的示例,当液体因液体分子吸引到材料表面和其他液体分子而在多孔材料内流动时。 液体和多孔材料之间的附着力与液体中的凝聚力相结合,可能足够强,可以使液体向上移动,防止重力作用。

毛巾会吸收水等液体,因为毛巾的纤维是由水分子所吸引的分子制成的。 大多数布毛巾都是用棉制成的,纸巾通常是用纸浆制成的。 两者都由含有许多 −μ L OH 组的纤维素的长分子组成。 水分子被这些 −OH 组所吸引,并与它们形成氢键,从而将 H2O 分子吸出纤维素分子。 水分子也相互吸引,因此大量的水被纤维素纤维吸收。

当小直径管的一端浸入液体中时,也可能发生毛细作用。 如果液体分子被管状分子强烈吸引,液体会向上爬管内,直到液体的重量和附着力达到平衡。 试管直径越小,液体爬升越高。

粘度

当您倒入一杯水或向汽车中加入汽油时,水和汽油会自由流动。 但当您将糖浆倒入薄煎饼或向汽车发动机添加机油时,糖浆和马达油流得不是那么容易。 液体的粘度是其流动阻力的度量单位。 自由流动的水,汽油和其他液体的粘度较低。 不能自由流动的蜂蜜,糖浆,马达油和其他液体的粘度更高。 我们可以测量粘度,方法是测量金属球流经液体的速率 (球通过粘性较强的液体下降速度较慢) ,或者测量液体流经窄管的速率 (粘性液体流动速度较慢)。

液体分子之间的 分子间力(IMFs) ,分子的大小和形状以及温度决定了液体流动的轻松程度。 分子的结构越复杂,它们之间的 分子间力(IMFs) 越强,它们越难以相互移动。 含有这些分子的液体粘性更高。 随着温度的升高,分子的移动速度更快,其动能能够更好地克服将它们固定在一起的力;因此,液体的粘度会降低。

本文改编自 Openstax, 化学 2e, 第10.2节:液体的属性

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