Back to chapter

11.5:

מתח פנים, פעילות קפילרית וצמיגות

JoVE Core
Chemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Chemistry
Surface Tension, Capillary Action, and Viscosity

Languages

Share

תהיתם פעם מדוע מטבע ין המונח בקפידה על מים, צף על פניהם? רוב המאפיינים של נוזלים מוכתבים על ידי כוחות בין-מולקולריים. כוחות המשיכה בין מולקולות דומות בחומר נקראים כוחות קוהזיה.במים, כוחות הקוהזיה מושכים מולקולות פנימיות במידה שווה בכל הכיוונים, מה שמוביל לכוח נטו אפס בממוצע, בעוד המולקולות שעל פני השטח חוות רק משיכה כלפי מטה, שגורמת למולקולות להצטופף יחד. המולקולות הפנימיות יציבות יותר מבחינה אנרגטית לעומת מולקולות שעל פני השטח, מפני שהן חוות יותר קוהזיה, מה שמפחית את האנרגיה הפוטנציאלית שלהן. נוזלים, אם כן, מנסים להפחית את האנרגיה הפוטנציאלית שלהם על ידי מזעור שטח הפנים ויוצרים אזור מתוח, שמתנהג כמו קרום אלסטי.יחידת האנרגיה הדרושה להגדלת שטח הפנים של הנוזל נקראת מתח הפנים שלו, אשר נמדד לעתים קרובות בג’ול למטר מרובע. כוחות אדהזיה, לעומת זאת, מתקיימים בין מולקולות שונות, כגון מים וזכוכית. עם הצבת צינור נימי צר במים, מולקולות המים מתפשטות לאורך משטחי הצינור באמצעות אדהזיה, מגדילות את שטח הפאה של הנוזל ומושכות איתן את שאר הנוזלים באמצעות קוהזיה.הנוזל בצינור הנימי עולה עד שכוח המשיכה גובר על כוחות האדהזיה והקוהזיה. תופעה זו מכונה תופעת הנימיות”במקרה של מים, כוחות האדהזיה בין מים לזכוכית חזקים יותר מכוחות הקוהזיה, מה שגורם למניסקוס קעור, או מתעקל כלפי פנים. במקרה של כספית, כוחות הקוהזיה גוברים על כוחות האדהזיה, וגורמים למניסקוס קמור.צמיגות מבטאת את עמידות הנוזל בפני זרימה ונמדדת לעיתים קרובות ביחידות פואז, או גרם לסנטימטר שנייה. קחו לדוגמה, מתנול וגליצרול. למרות ששניהם יוצרים קשרי מימן, לגליצרול יש שלוש קבוצות OH במקום אחת והוא יוצר יותר קשרי מימן למולקולה.כתוצאה מכך מתקיימת משיכה חזקה יותר בין מולקולות גליצרול, ולכן גליצרול צמיגי יותר מאשר מתנול. צמיגות מושפעת מצורות מולקולריות. פחמימנים עם מסות מולריות ואורכים גדולים מקיימים אינטראקציה על פני אזורים גדולים יותר ונקשרים בתדירות גבוהה יותר, וכתוצאה מכך, כוחות הפיזור שלהם חזקים יותר והצמיגות גבוה.לבסוף, צמיגות תלוי בטמפרטורה. אנרגיה תרמית מוגברת מחלישה כוחות בין-מולקולריים, בהלימה לכך שהמולקולות נעות באופן חופשי יותר ונוזלים זורמים מהר יותר בטמפרטורות גבוהות יותר.

11.5:

מתח פנים, פעילות קפילרית וצמיגות

Surface Tension

The various IMFs between identical molecules of a substance are examples of cohesive forces. The molecules within a liquid are surrounded by other molecules and are attracted equally in all directions by the cohesive forces within the liquid. However, the molecules on the surface of a liquid are attracted only by about one-half as many molecules. Because of the unbalanced molecular attractions on the surface molecules, liquids contract to form a shape that minimizes the number of molecules on the surface—that is, the shape with the minimum surface area. A small drop of liquid tends to assume a spherical shape. This is because the ratio of surface area to volume is at a minimum in a sphere. Larger drops are more greatly affected by gravity, air resistance, surface interactions, and so on, and as a result, are less spherical.

Surface tension is defined as the energy required to increase the surface area of a liquid or the force required to increase the length of a liquid surface by a given amount. This property results from the cohesive forces between molecules at the surface of a liquid, and it causes the surface of a liquid to behave like a stretched rubber membrane. Among common liquids, water exhibits a distinctly high surface tension due to strong hydrogen bonding between its molecules. As a result of this high surface tension, the surface of water represents a relatively “tough skin” that can withstand considerable force without breaking. A steel needle carefully placed on water will float. Some insects, even though they are denser than water, move on its surface because they are supported by the surface tension.

Adhesive and Cohesive Forces

The IMFs of attraction between two different molecules are called adhesive forces. Consider what happens when water comes into contact with some surface. If the adhesive forces between water molecules and the molecules of the surface are weak compared to the cohesive forces between the water molecules, the water does not “wet” the surface. For example, water does not wet waxed surfaces or many plastics such as polyethylene. Water droplets form on these surfaces because the cohesive forces within the drops are greater than the adhesive forces between the water and the plastic. Water spreads out on glass because the adhesive force between water and glass is greater than the cohesive forces within the water. When water is confined in a glass tube, its meniscus (surface) has a concave shape because the water wets the glass and creeps up the side of the tube. On the other hand, the cohesive forces between mercury atoms are much greater than the adhesive forces between mercury and glass. Mercury, therefore, does not wet glass, and it forms a convex meniscus when confined in a tube because the cohesive forces within the mercury tend to draw it into a drop.

Capillary Action

If one end of a paper towel is placed in spilled wine, the liquid wicks up the paper towel. A similar process occurs in a cloth towel when you use it to dry off after a shower. These are examples of capillary action—when a liquid flows within a porous material due to the attraction of the liquid molecules to the surface of the material and to other liquid molecules. The adhesive forces between the liquid and the porous material, combined with the cohesive forces within the liquid, may be strong enough to move the liquid upward against gravity.

Towels soak up liquids like water because the fibers of a towel are made of molecules that are attracted to water molecules. Most cloth towels are made of cotton, and paper towels are generally made from paper pulp. Both consist of long molecules of cellulose that contain many −OH groups. Water molecules are attracted to these −OH groups and form hydrogen bonds with them, which draws the H2O molecules up the cellulose molecules. The water molecules are also attracted to each other, so large amounts of water are drawn up the cellulose fibers.

Capillary action can also occur when one end of a small diameter tube is immersed in a liquid. If the liquid molecules are strongly attracted to the tube molecules, the liquid creeps up the inside of the tube until the weight of the liquid and the adhesive forces are in balance. The smaller the diameter of the tube is, the higher the liquid climbs.

Viscosity

When you pour a glass of water or fill a car with gasoline, the water and gasoline flow freely. But when you pour syrup on pancakes or add oil to a car engine, the syrup and motor oil do not flow as readily. The viscosity of a liquid is a measure of its resistance to flow. Water, gasoline, and other liquids that flow freely have a low viscosity. Honey, syrup, motor oil, and other liquids that do not flow freely have higher viscosities. We can measure viscosity by measuring the rate at which a metal ball falls through a liquid (the ball falls more slowly through a more viscous liquid) or by measuring the rate at which a liquid flows through a narrow tube (more viscous liquids flow more slowly).

The IMFs between the molecules of a liquid, the size and shape of the molecules, and the temperature determine how easily a liquid flows. The more structurally complex the molecule, the stronger the IMFs between them and the more difficult it is for them to move past each other. Liquids with these molecules are more viscous. As the temperature increases, the molecules move more rapidly and their kinetic energies are better able to overcome the forces that hold them together; thus, the viscosity of the liquid decreases.

This text is adapted from Openstax, Chemistry 2e, Section 10.2: Properties of Liquids.