Поверхностное натяжение, капиллярное действие и вязкость

Поверхностное натяжение

Различные ММС между идентичными молекулами вещества являются примерами сил связывания. Молекулы внутри жидкости окружены другими молекулами и притягиваются равномерно во всех направлениях связными силами внутри жидкости. Тем не менее, молекулы на поверхности жидкости притягиваются лишь примерно наполовину, чем многие молекулы. Из-за несбалансированных молекулярных аттракционов на молекулах поверхности жидкости сжимает форму, которая минимизирует количество молекул на поверхности, то есть форму с минимальной площадью поверхности. Небольшая капля жидкости имеет тенденцию принимать сферическую форму. Это связано с тем, что отношение площади поверхности к объему в сфере минимально. Более крупные падения в большей степени подвержены влиянию силы тяжести, сопротивления воздуха, поверхностного взаимодействия и так далее, и, как следствие, менее сферические.

Поверхностное натяжение определяется как энергия, необходимая для увеличения площади поверхности жидкости, или сила, необходимая для увеличения длины поверхности жидкости на заданное количество. Это свойство возникает из-за связных сил между молекулами на поверхности жидкости, и это приводит к тому, что поверхность жидкости будет вести себя как растянутая резиновая мембрана. Среди обычных жидкостей вода демонстрирует явно высокое поверхностное напряжение благодаря сильному водороду, связывальному между ее молекулами. В результате этого высокого поверхностного натяжения поверхность воды представляет собой относительно “жесткую кожу”, которая может выдержать значительную силу без разрыва. Стальная игла, аккуратно помещенная на воду, будет плавать. Некоторые насекомые, даже если они плотнее воды, перемещаются по поверхности, потому что они поддерживаются натяжением поверхности.

Клеевые и связные силы

ИМФ притяжения между двумя различными молекулами называются адгезивом. Подумайте, что происходит, когда вода попадает на какую-либо поверхность. Если адгезивные силы между молекулами воды и молекулами поверхности слабы по сравнению со связными силами между молекулами воды, вода не “моет” поверхность. Например, вода не моет вощеные поверхности или многие пластмассы, такие как полиэтилен. Капли воды образуются на этих поверхностях, так как связующие силы в капельках превышают силу клея между водой и пластиком. Вода распространяется на стекло, так как сила клея между водой и стеклом больше, чем сила связующего слоя в воде. Когда вода заперта в стеклянной трубке, ее мениска (поверхность) имеет вогнутую форму, так как вода отбивает стекло и прокраплывает по бокам трубки. С другой стороны, связующие силы между атомами ртути намного больше, чем силы клея между ртутью и стеклом. Ртуть, таким образом, не смачивает стекло и образует выпуклый мениск, когда он содержится в трубе, потому что связующие силы внутри ртути, как правило, приводят его в капля.

Капиллярное действие

Если один конец бумажного полотенца помещен в пролитое вино, жидкость вытереть бумажное полотенце. Аналогичный процесс происходит в тканевой полотенце, когда вы используете его для сушки после душа. Это примеры капиллярного действия, когда жидкость протекает в пористом материале из-за притяжения молекул жидкости к поверхности материала и другим молекулам жидкости. Сила клея между жидкостью и пористым материалом в сочетании со связными силами внутри жидкости может быть достаточно сильной, чтобы переместить жидкость вверх против силы тяжести.

Полотенца замачивают жидкости, как воду, потому что волокна полотенец сделаны из молекул, которые притягиваются молекулами воды. Большинство тканых полотенец изготовлены из хлопка, а бумажные полотенца обычно изготавливаются из бумажной целлюлозы. Оба состоят из длинных молекул целлюлозы, которые содержат много групп -OH. Молекулы воды притягиваются к этим группам -OH и образуют с ними водородные связи, которые притягивают молекулы H2O вверх по молекулам целлюлозы. Молекулы воды также притягиваются друг к другу, поэтому большое количество воды притягивается волокнами целлюлозы.

Капиллярное действие также может произойти, если один конец трубки малого диаметра погружен в жидкость. Если молекулы жидкости сильно притягиваются к молекулам трубки, жидкость разрачивается внутрь трубки до тех пор, пока вес жидкости и силы клея не будут сбалансированы. Чем меньше диаметр трубы, тем выше поднимается жидкость.

Вязкость

Когда вы наливаете стакан воды или заливаете автомобиль бензином, вода и бензин свободно текуют. Но когда вы наливаете сироп на блины или добавляете масло в двигатель автомобиля, сироп и моторное масло не текут так быстро. Вязкость жидкости является показателем ее сопротивления потоку. Вода, бензин и другие жидкости, свободно текучие, имеют низкую вязкость. Мед, сироп, моторное масло и другие жидкости, которые не текут свободно, имеют более высокую вязкость. Можно измерить вязкость, измерив скорость, при которой металлический шарик попадает через жидкость (шарик падает медленнее через более вязкую жидкость) или измерив скорость, при которой жидкость протекает через узкую трубку (более вязкие жидкости текут медленнее).

ИМФ между молекулами жидкости, размером и формой молекул и температурой определяют, насколько легко течет жидкость. Чем более структурно сложная молекула, тем сильнее ИМЗ между ними и тем труднее им пройти друг за другом. Жидкости с этими молекулами более вязки. По мере повышения температуры молекулы движутся быстрее, а их кинетическая энергия лучше преодолевает силы, удерживающие их вместе; таким образом, вязкость жидкости уменьшается.

Этот текст адаптирован из Openstax, Химия 2е изд., раздел 10.2: Свойства жидкостей.