Kemi

Når du hælder et glas vand op, eller fylder benzin i en bil, observerer du, at vand og benzin flyder frit. Men når du hælder sirup på pandekager eller fylder olie i en bilmotor, bemærker du, at sirup og motorolie ikke flyder lige så let. Viskositeten af en væske er et mål for dens modstand mod at flyde. Vand, benzin og andre væsker, der flyder frit, har en lav viskositet. Honning, sirup, motorolie og andre væsker, der ikke flyder frit, som dem, der er vist i figur 1, har en højere viskositet. Vi kan måle viskositeten ved at måle den hastighed, hvormed en metalkugle falder gennem en væske (kuglen falder langsommere gennem en mere tyktflydende væske), eller ved at måle den hastighed, hvormed en væske flyder gennem et smalt rør (mere tyktflydende væsker flyder langsommere).

Figur 1. (a) Honning og (b) motorolie er eksempler på væsker med høj viskositet; de flyder langsomt. (credit a: ændring af arbejde udført af Scott Bauer; credit b: ændring af arbejde udført af David Nagy)

Indholdet mellem molekylerne i en væske, molekylernes størrelse og form samt temperaturen bestemmer, hvor let en væske flyder. Som det fremgår af tabel 1, er det vanskeligere for molekylerne i en væske at bevæge sig forbi hinanden, og jo mere strukturelt komplekse molekylerne i en væske er, og jo stærkere IMF’erne mellem dem er, jo vanskeligere er det for dem at bevæge sig forbi hinanden, og jo større er væskens viskositet. Når temperaturen stiger, bevæger molekylerne sig hurtigere, og deres kinetiske energier er bedre i stand til at overvinde de kræfter, der holder dem sammen; væskens viskositet falder således.

De forskellige IMF’er mellem identiske molekyler i et stof er eksempler på kohæsionskræfter. Molekylerne i en væske er omgivet af andre molekyler og tiltrækkes lige meget i alle retninger af de kohæsive kræfter i væsken. Molekylerne på overfladen af en væske tiltrækkes dog kun af ca. halvt så mange molekyler. På grund af de ubalancerede molekylære tiltrækninger på overflademolekylerne trækker væsker sig sammen for at danne en form, der minimerer antallet af molekyler på overfladen – det vil sige den form med det mindste overfladeareal. En lille væskedråbe har tendens til at antage en kugleform, som vist i figur 2, fordi forholdet mellem overfladeareal og volumen i en kugle er mindst. Større dråber påvirkes i højere grad af tyngdekraften, luftmodstand, overfladeinteraktioner osv. og bliver derfor mindre kugleformede.

Figur 2. Tiltrækkende kræfter resulterer i en kugleformet vanddråbe, der minimerer overfladearealet; kohæsionskræfter holder kuglen sammen; klæbende kræfter holder dråben fast på nettet. (kredit: ændring af arbejde af “OliBac”/Flickr)

Overfladespænding er defineret som den energi, der kræves for at øge en væskes overfladeareal, eller den kraft, der kræves for at øge længden af en væskeoverflade med en given mængde. Denne egenskab skyldes kohæsionskræfterne mellem molekylerne på en væskes overflade, og den får væskens overflade til at opføre sig som en udspændt gummimembran. Overfladespændinger for en række væsker er vist i tabel 2. Blandt de almindelige væsker har vand en særlig høj overfladespænding på grund af den stærke hydrogenbinding mellem dets molekyler. Som følge af denne høje overfladespænding udgør vands overflade en relativt “hård hud”, som kan modstå betydelige kræfter uden at gå i stykker. En stålnål, der forsigtigt placeres på vand, vil flyde. Nogle insekter, som f.eks. det på figur 3, bevæger sig på vandets overflade, selv om de er tættere end vand, fordi de støttes af overfladespændingen.

Figur 3. Overfladespænding (til højre) forhindrer dette insekt, en “vandløber”, i at synke ned i vandet (til venstre).

De IMF’er af tiltrækningskræfter mellem to forskellige molekyler kaldes adhæsionskræfter. Overvej, hvad der sker, når vand kommer i kontakt med en eller anden overflade. Hvis adhæsionskræfterne mellem vandmolekylerne og molekylerne i overfladen er svage i forhold til kohæsionskræfterne mellem vandmolekylerne, “væsker” vandet ikke overfladen. Vand gør f.eks. ikke voksbehandlede overflader eller mange plastmaterialer som f.eks. polyethylen vådt. Vand danner dråber på disse overflader, fordi kohæsionskræfterne i dråberne er større end klæbekræfterne mellem vandet og plasten. Vand spreder sig på glas, fordi klæbekraften mellem vand og glas er større end kohæsionskræfterne i vandet. Når vand er indesluttet i et glasrør, har dets menisk (overflade) en konkav form, fordi vandet fugter glasset og kryber op ad rørets side. På den anden side er kohæsionskræfterne mellem kviksølvatomer meget større end klæbekræfterne mellem kviksølv og glas. Kviksølv gør derfor ikke glas vådt, og det danner en konveks menisk, når det er indesluttet i et rør, fordi kohæsionskræfterne i kviksølvet har en tendens til at trække det ind i en dråbe (figur 4).

Figur 4. Forskelle i de relative styrker af kohæsive og adhæsive kræfter resulterer i forskellige meniskformer for kviksølv (venstre) og vand (højre) i glasrør. (credit: Mark Ott)

Hvis man placerer den ene ende af et papirhåndklæde i spildt vin, som vist i figur 5, suger væsken sig op ad papirhåndklædet. En lignende proces sker i et stofhåndklæde, når du bruger det til at tørre dig efter et brusebad. Dette er eksempler på kapillarvirkning – når en væske flyder i et porøst materiale på grund af tiltrækningen af væskemolekylerne til materialets overflade og til andre væskemolekyler. Adskillelseskræfterne mellem væsken og det porøse materiale kan sammen med kohæsionskræfterne i væsken være stærke nok til at flytte væsken opad mod tyngdekraften.

Figur 5. Vin suger op ad et papirhåndklæde (til venstre) på grund af den stærke tiltrækning af vand- (og ethanol-) molekyler til -OH-grupperne på håndklædets cellulosefibre og den stærke tiltrækning af vandmolekyler til andre vand- (og ethanol-) molekyler (til højre). (kreditfoto: ændring af arbejde af Mark Blaser)

Håndklæder suger væsker op som vand, fordi håndklædefibrene er lavet af molekyler, der tiltrækkes af vandmolekyler. De fleste stofhåndklæder er fremstillet af bomuld, og papirhåndklæder er generelt fremstillet af papirmasse. Begge består af lange molekyler af cellulose, der indeholder mange -OH-grupper. Vandmolekyler tiltrækkes af disse -OH-grupper og danner hydrogenbindinger med dem, hvilket trækker H2O-molekylerne op ad cellulosemolekylerne. Vandmolekylerne tiltrækkes også af hinanden, så store mængder vand trækkes op ad cellulosefibrene.

Kapillarvirkning kan også forekomme, når den ene ende af et rør med lille diameter er nedsænket i en væske, som illustreret i figur 6. Hvis væskemolekylerne tiltrækkes kraftigt af rørets molekyler, kryber væsken op ad indersiden af røret, indtil væskens vægt og klæbekræfterne er i balance. Jo mindre rørets diameter er, jo højere stiger væsken op. Det er bl.a. ved hjælp af kapillærvirkning i planteceller kaldet xylem, at vand og opløste næringsstoffer føres fra jorden op gennem rødderne og ind i en plante. Kapillær virkning er grundlaget for tyndtlagskromatografi, en laboratorieteknik, der almindeligvis anvendes til at adskille små mængder af blandinger. Du er afhængig af en konstant tilførsel af tårer for at holde dine øjne smurt og af kapillarvirkning for at pumpe tårevæsken væk.

Figur 6. Afhængigt af de relative styrker af adhæsive og kohæsive kræfter kan en væske stige (som f.eks. vand) eller falde (som f.eks. kviksølv) i et kapillarrør af glas. Størrelsen af stigningen (eller faldet) er direkte proportional med væskens overfladespænding og omvendt proportional med væskens massefylde og rørets radius.

Den højde, som en væske vil stige til i et kapillarrør, bestemmes af flere faktorer, som vist i følgende ligning:

I denne ligning er h væskens højde inde i kapillarrøret i forhold til væskens overflade uden for røret, T er væskens overfladespænding, θ er kontaktvinklen mellem væsken og røret, r er rørets radius, ρ er væskens densitet, og g er tyngdeaccelerationen, 9.8 m/s2. Når røret er fremstillet af et materiale, som væskemolekylerne tiltrækkes kraftigt af, vil de sprede sig helt ud på overfladen, hvilket svarer til en kontaktvinkel på 0°. Dette er situationen for vand, der stiger i et glasrør.

Biomedicinske anvendelser af kapillær virkning

Figur 7. Blod opsamles til medicinsk analyse ved kapillarvirkning, som trækker blodet ind i et glasrør med en lille diameter. (credit: modifikation af arbejde udført af Centers for Disease Control and Prevention)

Mange medicinske undersøgelser kræver, at der tappes en lille mængde blod, f.eks. for at bestemme mængden af glukose hos en person med diabetes eller hæmatokritniveauet hos en sportsudøver. Denne procedure kan let udføres på grund af kapillær virkning, dvs. en væskes evne til at strømme op ad et lille rør mod tyngdekraften, som vist i figur 7. Når man stikker i fingeren, dannes der en bloddråbe, som holder sammen på grund af overfladespændingen – de ubalancerede intermolekylære tiltrækninger på dråbens overflade. Når den åbne ende af et glasrør med en smal diameter berører bloddråben, trækker klæbekræfterne mellem molekylerne i blodet og molekylerne på glasoverfladen blodet op i røret. Hvor langt blodet stiger op ad røret, afhænger af rørets diameter (og væsketypen). Et lille rør har et relativt stort overfladeareal for en given mængde blod, hvilket resulterer i større (relative) tiltrækningskræfter, hvilket gør det muligt at trække blodet længere op i røret. Selve væsken holdes sammen af sine egne kohæsionskræfter. Når vægten af væsken i røret genererer en nedadgående kraft, der er lig med den opadgående kraft, der er forbundet med kapillarvirkningen, holder væsken op med at stige.