Chemie

Když nalijete sklenici vody nebo naplníte auto benzínem, pozorujete, že voda a benzín volně tečou. Když však nalijete sirup na palačinky nebo nalijete olej do motoru auta, všimnete si, že sirup a motorový olej neproudí tak snadno. Viskozita kapaliny je mírou jejího odporu proti proudění. Voda, benzín a další kapaliny, které volně tečou, mají nízkou viskozitu. Med, sirup, motorový olej a další kapaliny, které netečou volně, jako ty na obrázku 1, mají vyšší viskozitu. Viskozitu můžeme měřit tak, že změříme rychlost, jakou kovová kulička propadá kapalinou (kulička propadá pomaleji viskóznější kapalinou), nebo změříme rychlost, jakou kapalina protéká úzkou trubicí (viskóznější kapaliny protékají pomaleji).

Obrázek 1. (a) Med a (b) motorový olej jsou příklady kapalin s vysokou viskozitou; tečou pomalu. (kredit a: úprava práce Scotta Bauera; kredit b: úprava práce Davida Nagyho)

O tom, jak snadno kapalina teče, rozhodují IMF mezi molekulami kapaliny, velikost a tvar molekul a teplota. Jak ukazuje tabulka 1, čím složitější je struktura molekul v kapalině a čím silnější jsou IMF mezi nimi, tím obtížnější je jejich vzájemný pohyb a tím větší je viskozita kapaliny. S rostoucí teplotou se molekuly pohybují rychleji a jejich kinetická energie je schopna lépe překonávat síly, které je drží pohromadě; viskozita kapaliny se tedy snižuje.

Různé IMF mezi stejnými molekulami látky jsou příklady kohezních sil. Molekuly v kapalině jsou obklopeny jinými molekulami a jsou přitahovány kohezními silami v kapalině ve všech směrech stejně. Molekuly na povrchu kapaliny jsou však přitahovány jen přibližně polovičním počtem molekul. Kvůli nevyváženým molekulovým přitažlivostem molekul na povrchu se kapaliny smršťují do tvaru, který minimalizuje počet molekul na povrchu – tedy do tvaru s minimálním povrchem. Malá kapka kapaliny má tendenci nabývat kulovitého tvaru, jak je znázorněno na obrázku 2, protože v kouli je poměr plochy povrchu k objemu minimální. Větší kapky jsou více ovlivňovány gravitací, odporem vzduchu, povrchovými interakcemi atd. a v důsledku toho mají méně kulovitý tvar.

Obrázek 2: Kapky vody na pavučině. Výsledkem přitažlivých sil je sférická kapka vody, která minimalizuje povrch; kohezní síly drží kouli pohromadě; adhezní síly udržují kapku připevněnou k pavučině. (kredit: úprava práce „OliBac“/Flickr)

Povrchové napětí je definováno jako energie potřebná ke zvětšení plochy povrchu kapaliny nebo síla potřebná ke zvětšení délky povrchu kapaliny o dané množství. Tato vlastnost vyplývá z kohezních sil mezi molekulami na povrchu kapaliny a způsobuje, že se povrch kapaliny chová jako natažená gumová membrána. Povrchové napětí několika kapalin je uvedeno v tabulce 2. Mezi běžnými kapalinami vykazuje voda výrazně vysoké povrchové napětí v důsledku silné vodíkové vazby mezi jejími molekulami. V důsledku tohoto vysokého povrchového napětí představuje povrch vody relativně „tvrdou kůži“, která dokáže odolat značné síle, aniž by se porušila. Ocelová jehla opatrně položená na vodu se vznáší. Některý hmyz, jako například ten na obrázku 3, přestože je hustší než voda, se pohybuje na jejím povrchu, protože ho podporuje povrchové napětí.

Obrázek č. 3. Povrchové napětí (vpravo) brání tomuto hmyzu, „vodnímu strideru“, aby se ponořil do vody (vlevo).

Přitažlivé síly mezi dvěma různými molekulami se nazývají adhezní síly. Uvažujme, co se stane, když se voda dostane do kontaktu s nějakým povrchem. Pokud jsou adhezní síly mezi molekulami vody a molekulami povrchu slabé ve srovnání s kohezními silami mezi molekulami vody, voda povrch „nenamočí“. Například voda nenavlhčí voskované povrchy nebo mnoho plastů, jako je polyethylen. Voda na těchto površích vytváří kapky, protože kohezní síly uvnitř kapek jsou větší než adhezní síly mezi vodou a plastem. Na skle se voda rozlévá, protože adhezní síly mezi vodou a sklem jsou větší než kohezní síly uvnitř vody. Když je voda uzavřena ve skleněné trubici, má její meniskus (povrch) konkávní tvar, protože voda smáčí sklo a plazí se po stěně trubice. Na druhé straně kohezní síly mezi atomy rtuti jsou mnohem větší než adhezní síly mezi rtutí a sklem. Rtuť proto nesmáčí sklo a při uzavření ve zkumavce vytváří vypouklý meniskus, protože kohezní síly uvnitř rtuti mají tendenci ji stahovat do kapky (obrázek 4).

Obrázek 4. Rozdíly v relativní síle kohezních a adhezních sil mají za následek různé tvary menisků pro rtuť (vlevo) a vodu (vpravo) ve skleněných zkumavkách. (kredit: Mark Ott)

Pokud vložíte jeden konec papírové utěrky do rozlitého vína, jak je znázorněno na obrázku 5, kapalina stéká po papírové utěrce. K podobnému procesu dochází i v látkovém ručníku, když jej použijete k osušení po sprchování. Jedná se o příklady kapilárního působení – kdy kapalina proudí v porézním materiálu v důsledku přitažlivosti molekul kapaliny k povrchu materiálu a k molekulám jiné kapaliny. Přilnavé síly mezi kapalinou a porézním materiálem v kombinaci s kohezními silami uvnitř kapaliny mohou být dostatečně silné na to, aby se kapalina pohybovala vzhůru proti gravitaci.

Obrázek 5. Víno nasává papírovou utěrku (vlevo) díky silné přitažlivosti molekul vody (a ethanolu) k -OH skupinám na celulózových vláknech utěrky a silné přitažlivosti molekul vody k jiným molekulám vody (a ethanolu) (vpravo). (kreditní foto: úprava práce Marka Blasera)

Ručníky nasávají kapaliny jako vodu, protože vlákna ručníku jsou tvořena molekulami, které jsou přitahovány molekulami vody. Většina látkových ručníků je vyrobena z bavlny a papírové ručníky jsou obvykle vyrobeny z papíroviny. Obě se skládají z dlouhých molekul celulózy, které obsahují mnoho -OH skupin. Molekuly vody jsou přitahovány těmito -OH skupinami a vytvářejí s nimi vodíkové vazby, které přitahují molekuly H2O k molekulám celulózy. Molekuly vody se také přitahují navzájem, takže velké množství vody je vtahováno nahoru po celulózových vláknech.

Kapilární děj může také nastat, když je jeden konec trubice o malém průměru ponořen do kapaliny, jak je znázorněno na obrázku 6. Pokud jsou molekuly kapaliny silně přitahovány k molekulám trubice, kapalina se plazí vzhůru vnitřkem trubice, dokud se hmotnost kapaliny a adhezní síly nevyrovnají. Čím menší je průměr trubice, tím výše kapalina stoupá. Částečně kapilární činností, která probíhá v rostlinných buňkách zvaných xylém, se voda a rozpuštěné živiny dostávají z půdy přes kořeny nahoru do rostliny. Kapilární působení je základem tenkovrstvé chromatografie, laboratorní techniky běžně používané k separaci malých množství směsí. Jste závislí na stálém přísunu slz, které udržují vaše oči mazané, a na kapilárním působení, které odčerpává slznou tekutinu.

Obrázek 6. V závislosti na relativní síle adhezních a kohezních sil může kapalina ve skleněné kapiláře stoupat (např. voda) nebo klesat (např. rtuť). Rozsah stoupání (nebo klesání) je přímo úměrný povrchovému napětí kapaliny a nepřímo úměrný hustotě kapaliny a poloměru trubice.

Výška, do které kapalina v kapilární trubici vystoupá, je určena několika faktory, jak je uvedeno v následující rovnici:

V této rovnici je h výška kapaliny uvnitř kapilární trubice vzhledem k povrchu kapaliny vně trubice, T je povrchové napětí kapaliny, θ je kontaktní úhel mezi kapalinou a trubicí, r je poloměr trubice, ρ je hustota kapaliny a g je tíhové zrychlení, 9. Jakmile kapalina vystoupí do kapilární trubice, je třeba ji zkontrolovat.8 m/s2. Je-li trubice vyrobena z materiálu, ke kterému jsou molekuly kapaliny silně přitahovány, zcela se rozprostřou na povrchu, což odpovídá kontaktnímu úhlu 0°. To je situace pro vodu stoupající ve skleněné trubici.

Biomedicínské aplikace kapilárního děje

Obrázek 7. Odběr krve k lékařské analýze probíhá kapilárně, kdy se krev nasává do skleněné trubičky o malém průměru. (credit: modification of work by Centers for Disease Control and Prevention)

Mnoho lékařských vyšetření vyžaduje odběr malého množství krve, například pro stanovení množství glukózy u osoby s cukrovkou nebo hladiny hematokritu u sportovce. Tento postup lze snadno provést díky kapilárnímu působení, schopnosti kapaliny stékat malou trubičkou proti gravitaci, jak je znázorněno na obrázku 7. Po píchnutí do prstu se vytvoří kapka krve, která drží pohromadě díky povrchovému napětí – nevyvážené mezimolekulární přitažlivosti na povrchu kapky. Když se pak otevřený konec skleněné trubičky o úzkém průměru dotkne kapky krve, adhezní síly mezi molekulami krve a molekulami na povrchu skla vytáhnou krev do trubičky. Jak daleko se krev dostane do trubice, závisí na průměru trubice (a typu tekutiny). Malá zkumavka má relativně velký povrch pro daný objem krve, což má za následek větší (relativní) přitažlivé síly, které umožňují vtahování krve dále do zkumavky. Samotná tekutina je držena pohromadě vlastními kohezními silami. Když hmotnost kapaliny v trubici vytvoří sílu směrem dolů, která se rovná síle směrem nahoru spojené s kapilárním působením, kapalina přestane stoupat.

.