Back to chapter

11.5:

Yüzey Gerilimi, Kapiller Etkiler, ve Vizkosite

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

Bir madeni paranın suya dikkatlice yerleştirildiğinde neden yüzdüğünü hiç merak ettiniz mi? Sıvıların çoğu özelliği, moleküller arası kuvvetler tarafından belirlenir. Bir maddedeki benzer moleküller arasındaki çekici kuvvetlere kohezif kuvvetler de denir.Suda, kohezif kuvvetler iç molekülleri her yöne eşit olarak çekerek ortalama sıfır net kuvvetle sonuçlanırken, yüzey molekülleri sadece aşağı doğru bir çekime uğrar ve bu da moleküllerin birbirine yakın bir şekilde sıkışmasına neden olur. İç moleküller enerji açısından yüzey moleküllerinden daha kararlıdır çünkü daha fazla kohezyon oluşur ve bu da potansiyel enerjilerini düşürür. Bu nedenle sıvılar, yüzey alanını en aza indirerek potansiyel enerjilerini azaltmaya çalışırlar ve elastik bir zar gibi davranan gerilim altında bir yüzey oluştururlar.Bir sıvının yüzey alanını birim miktarda artırmak için gereken enerjiye yüzey gerilimi denir ve bu genellikle metre kare başına jul olarak ölçülür. Aksine su ve cam gibi farklı moleküller arasında yapışma gücü mevcuttur. Suya dar bir kılcal boru yerleştirildiğinde su molekülleri yapışma yoluyla borunun yüzeyleri boyunca yayılır, sıvının yüzey alanını arttırır ve kohezyon yoluyla sıvının geri kalanını çeker.Kapilerdeki sıvı, yerçekimi adhezif ve kohezif kuvvetlere baskın gelene kadar yükselir. Bu olguya kılcal etki denir. Su için, su ve cam arasındaki adhezif kuvvetler, kohezif kuvvetlerden daha güçlüdür ve, içbükey veya içe doğru kıvrımlı bir menisküs oluşturur.Cıva için, kohezif kuvvetler adhezif kuvvetlere ağır basar ve bu da dışbükey bir menisküs oluşturur. Viskozite, bir sıvının akışa karşı direncini ifade eder ve genellikle poise veya gram/santimetre-saniye cinsinden ölçülür Metanol ve gliserolü düşünün. Her ikisi de hidrojen bağları oluştursa da, gliserolün bir yerine üç OH grubu vardır ve molekül başına daha fazla hidrojen bağı oluşturur.Bu, gliserol molekülleri arasında daha kuvvetli çekime yol açarak gliserolü metanolden daha viskoz hale getirir. Viskozite, moleküler şekillerden etkilenir. Artan molar kütlelere ve uzunluklara sahip hidrokarbonlar, daha büyük alanlarda etkileşime girer ve daha sık dolaşır, bu da daha güçlü dispersiyon kuvvetleri ve daha yüksek viskozitelere neden olur.Son olarak, viskozite sıcaklığa bağlıdır. Artan termal enerji, moleküller arası kuvvetleri zayıflatır, bu da moleküllerin daha serbest hareket etmesi ve sıvıların daha yüksek sıcaklıklarda daha hızlı akmasın neden olur.

11.5:

Yüzey Gerilimi, Kapiller Etkiler, ve Vizkosite

Yüzey Gerilimi

Bir maddenin özdeş molekülleri arasındaki çeşitli IMF’ler, kohezif kuvvetlerin örnekleridir. Bir sıvının içindeki moleküller diğer moleküller tarafından çevrelenir ve sıvı içindeki kohezif kuvvetler tarafından her yönden eşit olarak çekilir. Bununla birlikte, bir sıvının yüzeyindeki moleküller, yalnızca yaklaşık yarısı kadar molekül tarafından çekilir. Yüzey molekülleri üzerindeki dengesiz moleküler çekimler nedeniyle sıvılar, yüzeydeki molekül sayısını en aza indiren bir şekil, yani minimum yüzey alanına sahip şekli oluşturmak için büzülür. Küçük bir damla sıvı, küresel bir şekil alma eğilimindedir. Bunun nedeni, bir kürede yüzey alanının hacme oranının minimum olmasıdır. Daha büyük damlalar yerçekimi, hava direnci, yüzey etkileşimleri vb. tarafından daha fazla etkilenir ve sonuç olarak daha az küreseldir.

Yüzey gerilimi, bir sıvının yüzey alanını artırmak için gereken enerji veya sıvı yüzeyinin uzunluğunu belirli bir miktarda artırmak için gereken kuvvet olarak tanımlanır. Bu özellik, bir sıvının yüzeyindeki moleküller arasındaki kohezif kuvvetlerden kaynaklanır ve bir sıvının yüzeyinin gerilmiş bir kauçuk membran gibi davranmasına neden olur. Yaygın sıvılar arasında su, molekülleri arasındaki güçlü hidrojen bağı nedeniyle belirgin şekilde yüksek bir yüzey gerilimi sergiler. Bu yüksek yüzey geriliminin bir sonucu olarak, su yüzeyi kırılmadan önemli bir güce dayanabilen nispeten “sert bir cildi” temsil eder. Suyun üzerine dikkatlice yerleştirilen çelik bir iğne yüzer. Bazı böcekler sudan daha yoğun olmalarına rağmen yüzey gerilimi tarafından desteklendikleri için yüzeyinde hareket ederler.

Adhezyon and Kohezyon Kuvvetleri

İki farklı molekül arasındaki IMF çekimlerine adhezyon kuvvetleri denir. Su bir yüzeyle temas ettiğinde ne olacağını düşünün. Su molekülleri ile yüzeyin molekülleri arasındaki adhezyon kuvvetleri, su molekülleri arasındaki kohezyon kuvvetleriyle karşılaştırıldığında zayıfsa, su yüzeyi “ıslatmaz”. Örneğin su, mumlu yüzeyleri veya polietilen gibi birçok plastiği ıslatmaz. Bu yüzeylerde su damlacıkları oluşur çünkü damlaların içindeki kohezyon kuvvetleri, su ile plastik arasındaki adhezyon kuvvetinden daha büyüktür. Su cam üzerine yayılır çünkü su ile cam arasındaki adhezyon kuvveti, su içindeki kohezyon kuvvetlerinden daha büyüktür. Su bir cam tüp içine hapsedildiğinde, menisküsü (yüzeyi) içbükey bir şekle sahiptir çünkü su camı ıslatır ve tüpün kenarından yukarı doğru kayar. Öte yandan, cıva atomları arasındaki kohezyon kuvvetleri, cıva ve cam arasındaki adhezyon kuvvetinden çok daha büyüktür. Bu nedenle, cıva camı ıslatmaz ve bir tüpe hapsedildiğinde dışbükey bir menisküs oluşturur çünkü cıva içindeki kohezyon kuvvetleri onu bir damla haline getirme eğilimindedir.

Kılcal Etki

Bir kağıt havlunun bir ucu dökülen şaraba konursa, sıvı kağıt havluyu emer. Duştan sonra kurulamak için kullandığınızda bez havluda da benzer bir işlem gerçekleşir.Bunlar, kılcal etki örnekleridir— sıvı moleküllerin malzemenin yüzeyine ve diğer sıvı moleküllere çekilmesi nedeniyle gözenekli bir malzeme içinde bir sıvı akması. Sıvı ve gözenekli malzeme arasındaki adhezyon kuvvetleri, sıvı içindeki kohezyon kuvvetleriyle birleştiğinde, sıvıyı yer çekimine karşı yukarı doğru hareket ettirecek kadar güçlü olabilir.

Havlular su gibi sıvıları emer çünkü bir havlunun lifleri su moleküllerini çeken moleküllerden yapılır. Bez havluların çoğu pamuktan yapılır ve kağıt havlular genellikle kağıt hamurundan yapılır. Her ikisi de birçok −OH grubu içeren uzun selüloz moleküllerinden oluşur. Su molekülleri bu −OH gruplarına çekilir ve bunlarla hidrojen bağları oluşturur, bu da H2O moleküllerini selüloz moleküllerinden yukarı çeker. Su molekülleri de birbirlerini çeker, bu nedenle selüloz liflerinden büyük miktarlarda su çekilir.

Kılcal etki, küçük çaplı bir tüpün bir ucu bir sıvıya daldırıldığında da meydana gelebilir. Sıvı moleküller, tüp moleküllerine kuvvetli bir şekilde çekilirse, sıvı, sıvının ağırlığı ve adhezyon kuvvetleri dengeye gelene kadar tüpün içine girer. Borunun çapı ne kadar küçükse, sıvı o kadar yükseğe tırmanır.

Viskozite

Bir bardak su doldurduğunuzda veya bir arabayı benzinle doldurduğunuzda, su ve benzin serbestçe akar. Ancak kreplerin üzerine şurup döktüğünüzde veya bir araba motoruna yağ eklediğinizde, şurup ve motor yağı hemen akmaz. Bir sıvının viskozitesi, akışa karşı direncinin bir ölçüsüdür. Su, benzin ve serbestçe akan diğer sıvılar düşük viskoziteye sahiptir. Serbestçe akmayan bal, şurup, motor yağı ve diğer sıvılar daha yüksek viskozitelere sahiptir. Viskoziteyi, bir metal topun bir sıvıdan düşme hızını ölçerek (top, daha viskoz bir sıvıdan daha yavaş düşer) veya bir sıvının dar bir tüpten aktığı hızı ölçerek (daha viskoz sıvılar daha yavaş akar) ölçebiliriz.

Bir sıvının molekülleri arasındaki IMF’ler, moleküllerin boyutu ve şekli ve sıcaklık, sıvının ne kadar kolay akacağını belirler. Molekül yapısal olarak ne kadar karmaşıksa, aralarındaki IMF’ler o kadar güçlüdür ve birbirlerini geçmeleri o kadar zor olur. Bu moleküllere sahip sıvılar daha viskozdur. Sıcaklık arttıkça moleküller daha hızlı hareket eder ve kinetik enerjileri onları bir arada tutan kuvvetlerin üstesinden daha iyi gelir; böylece sıvının viskozitesi düşer.

Bu metin bu kaynaktan uyarlanmıştır Openstax, Chemistry 2e, Section 10.2: Properties of Liquids.