OPPIMISTAVOITTEET
Tämän jakson lopussa osaat:
- Erottamaan toisistaan adheesiovoimat ja koheesiovoimat
- Määrittelemään viskositeetin, pintajännityksen ja kapillaarisen nousun
- Kuvaamaan molekyylien välisten vetovoimien roolin kussakin näistä ominaisuuksista/ilmiöistä
Kun kaadat lasin vettä tai täytät auton bensiinillä, havaitset veden ja bensiinin virtaavan vapaasti. Mutta kun kaadat siirappia pannukakkujen päälle tai lisäät öljyä auton moottoriin, huomaat, että siirappi ja moottoriöljy eivät virtaa yhtä helposti. Nesteen viskositeetti mittaa sen virtausvastusta. Veden, bensiinin ja muiden vapaasti virtaavien nesteiden viskositeetti on alhainen. Hunaja, siirappi, moottoriöljy ja muut nesteet, jotka eivät virtaa vapaasti, kuten kuvassa 1 esitetyt nesteet, ovat viskositeetiltaan suurempia. Voimme mitata viskositeettia mittaamalla nopeutta, jolla metallipallo putoaa nesteen läpi (pallo putoaa hitaammin viskoottisemman nesteen läpi) tai mittaamalla nopeutta, jolla neste virtaa kapean putken läpi (viskoottisemmat nesteet virtaavat hitaammin).
Kuva 1. (a) hunaja ja b) moottoriöljy ovat esimerkkejä nesteistä, joilla on korkea viskositeetti; ne virtaavat hitaasti. (luotto a: Scott Bauerin työn muokkaus; luotto b: David Nagyn työn muokkaus)
Nesteen molekyylien väliset IMF-suhteet, molekyylien koko ja muoto sekä lämpötila määräävät, kuinka helposti neste virtaa. Kuten taulukosta 1 käy ilmi, mitä monimutkaisempia molekyylit ovat rakenteeltaan nesteessä ja mitä voimakkaampia molekyylien väliset IMF:t ovat, sitä vaikeampaa molekyylien on liikkua toistensa ohi ja sitä suurempi on nesteen viskositeetti. Lämpötilan noustessa molekyylit liikkuvat nopeammin ja niiden liike-energiat pystyvät paremmin voittamaan ne yhteen pitäviä voimia, jolloin nesteen viskositeetti pienenee.
| Taulukko 1. Nesteen viskositeetti. Yleisten aineiden viskositeetit 25 °C:ssa | |||
|---|---|---|---|
| Aine | Aine | Formula | Viskositeetti (mPa-s) |
| vesi | H2O | 0.890 | |
| elohopea | Hg | 1.526 | |
| etanoli | C2H5OH | 1.074 | |
| oktaani | C8H18 | 0.508 | |
| etyleeniglykoli | CH2(OH)CH2(OH) | 16.1 | |
| hunaja | vaihteleva | ~2 000-10 000 | |
| moottoriöljy | vaihteleva | ~50-500 | |
Aineen identtisten molekyylien väliset erilaiset IMF:n voimat ovat esimerkkeinä koheesiovoimista. Nesteen sisällä olevat molekyylit ovat muiden molekyylien ympäröimiä, ja nesteen sisällä olevat koheesiovoimat vetävät niitä puoleensa yhtä paljon kaikkiin suuntiin. Nesteen pinnalla olevia molekyylejä vetää kuitenkin puoleensa vain noin puolet molekyyleistä. Pintamolekyylien epätasapainoisen vetovoiman vuoksi nesteet supistuvat muodostaakseen muodon, joka minimoi pinnalla olevien molekyylien määrän – eli muodon, jonka pinta-ala on mahdollisimman pieni. Pienellä nestepisaralla on taipumus saada pallomainen muoto, kuten kuvassa 2 on esitetty, koska pallossa pinta-alan ja tilavuuden suhde on pienimmillään. Suurempiin pisaroihin vaikuttavat voimakkaammin painovoima, ilmanvastus, pinnan vuorovaikutukset ja niin edelleen, ja sen seurauksena ne eivät ole yhtä pallomaisia.
Kuva 2. Vetovoimat saavat aikaan pallomaisen vesipisaran, jonka pinta-ala on mahdollisimman pieni; koheesiovoimat pitävät pallon kasassa; adheesiovoimat pitävät pisaran kiinni verkossa. (luotto: modifikaatio teoksesta ”OliBac”/Flickr)
Pintajännitys määritellään energiaksi, joka tarvitaan nesteen pinta-alan kasvattamiseen, tai voimaksi, joka tarvitaan nesteen pinnan pituuden kasvattamiseen tietyllä määrällä. Tämä ominaisuus johtuu molekyylien välisistä koheesiovoimista nesteen pinnalla, ja se saa nesteen pinnan käyttäytymään kuin venytetty kumikalvo. Useiden nesteiden pintajännitykset on esitetty taulukossa 2. Yleisistä nesteistä vedellä on selvästi korkea pintajännitys, joka johtuu sen molekyylien välisestä vahvasta vetysidoksesta. Korkean pintajännityksen ansiosta veden pinta on suhteellisen ”sitkeä iho”, joka kestää huomattavia voimia rikkoutumatta. Varovasti veteen asetettu teräsneula kelluu. Jotkin hyönteiset, kuten kuvassa 3 esitetty hyönteinen, vaikka ne ovat vettä tiheämpiä, liikkuvat sen pinnalla, koska pintajännitys tukee niitä.
| Taulukko 2. Pintajännitys. Yleisten aineiden pintajännitykset 25 °C:ssa | |||
|---|---|---|---|
| Aine | Aine | Kaava | Pintajännitys (mN/m) |
| vesi | H2O | 71.99 | |
| elohopea | Hg | 458.48 | |
| etanoli | C2H5OH | 21.97 | |
| oktaani | C8H18 | 21.14 | |
| etyleeniglykoli | CH2(OH)CH2(OH) | 47.99 | |
Kuva 3. Pintajännitys (oikealla) estää tätä hyönteistä, ”vesijuoksijaa”, uppoamasta veteen (vasemmalla).
Kahden eri molekyylin välisiä IMF-vetovoimia kutsutaan adheesiovoimiksi. Tarkastellaan, mitä tapahtuu, kun vesi joutuu kosketuksiin jonkin pinnan kanssa. Jos vesimolekyylien ja pinnan molekyylien väliset adheesiovoimat ovat heikkoja verrattuna vesimolekyylien välisiin koheesiovoimiin, vesi ei ”kostuta” pintaa. Vesi ei esimerkiksi kostuta vahattuja pintoja tai monia muoveja, kuten polyeteeniä. Vesi muodostaa pisaroita näille pinnoille, koska pisaroiden sisäiset koheesiovoimat ovat suuremmat kuin veden ja muovin väliset tartuntavoimat. Vesi leviää lasille, koska veden ja lasin välinen adheesiovoima on suurempi kuin veden sisäiset koheesiovoimat. Kun vesi on suljettu lasiputkeen, sen meniski (pinta) on kovera, koska vesi kastelee lasin ja hiipii putken sivua pitkin. Toisaalta elohopea-atomien väliset koheesiovoimat ovat paljon suuremmat kuin elohopean ja lasin väliset tartuntavoimat. Elohopea ei siis kostuta lasia, ja se muodostaa kuperan meniskin putkeen suljettuna, koska elohopean sisällä olevat koheesiovoimat pyrkivät vetämään elohopean pisaraksi (kuva 4).
Kuva 4. Erot koheesio- ja adheesiovoimien suhteellisessa voimakkuudessa johtavat elohopean (vasemmalla) ja veden (oikealla) erilaisiin meniskin muotoihin lasiputkissa. (luotto: Mark Ott)
Jos asetat paperipyyhkeen toisen pään läikkyneeseen viiniin, kuten kuvassa 5 näkyy, neste imeytyy paperipyyhkeeseen. Samanlainen prosessi tapahtuu kangaspyyhkeessä, kun käytät sitä kuivatteluun suihkun jälkeen. Nämä ovat esimerkkejä kapillaarivaikutuksesta – kun neste virtaa huokoisessa materiaalissa nesteen molekyylien vetovoiman vuoksi materiaalin pintaan ja muihin nestemolekyyleihin. Nesteen ja huokoisen materiaalin väliset adheesiovoimat yhdistettynä nesteen sisällä oleviin koheesiovoimiin voivat olla riittävän voimakkaita liikuttamaan nestettä ylöspäin painovoimaa vastaan.
Kuva 5. Viini imeytyy paperipyyhkeeseen (vasemmalla), koska vesimolekyylit (ja etanoli) vetävät voimakkaasti puoleensa pyyhkeen selluloosakuitujen -OH-ryhmiä ja vesimolekyylit vetävät voimakkaasti puoleensa muita vesimolekyylejä (ja etanolia) (oikealla). (Luottokuva: Mark Blaserin työn muokkaus)
Pyyhkeet imevät nesteitä kuten vettä, koska pyyhkeen kuidut koostuvat molekyyleistä, jotka vetävät puoleensa vesimolekyylejä. Useimmat kangaspyyhkeet on valmistettu puuvillasta, ja paperipyyhkeet on yleensä valmistettu paperimassasta. Molemmat koostuvat pitkistä selluloosamolekyyleistä, jotka sisältävät monia -OH-ryhmiä. Vesimolekyylit vetävät puoleensa näitä -OH-ryhmiä ja muodostavat niiden kanssa vetysidoksia, jotka vetävät H2O-molekyylejä ylöspäin selluloosamolekyyleihin. Vesimolekyylit vetävät puoleensa myös toisiaan, joten selluloosakuidut vetävät suuria määriä vettä ylöspäin.
Kapillaarivaikutus voi tapahtua myös, kun halkaisijaltaan pienen putken toinen pää upotetaan nesteeseen, kuten kuvassa 6 on esitetty. Jos nestemolekyylit vetävät voimakkaasti puoleensa putken molekyylejä, neste hiipii putken sisäpuolella ylöspäin, kunnes nesteen paino ja adheesiovoimat ovat tasapainossa. Mitä pienempi putken halkaisija on, sitä korkeammalle neste nousee. Vesi ja liuenneet ravinteet kulkeutuvat maaperästä juurten kautta ylös kasviin osittain kasvin soluissa, joita kutsutaan ksyleemiksi, tapahtuvan kapillaaritoiminnan avulla. Kapillaaritoiminta on ohutkerroskromatografian perusta, joka on laboratoriotekniikka, jota käytetään yleisesti pienten seosmäärien erottamiseen. Olet riippuvainen jatkuvasta kyynelnesteen saannista pitämään silmäsi voideltuina ja kapillaaritoiminnasta pumppaamaan kyynelnestettä pois.
Kuvio 6. Kapillaaritoiminta. Riippuen tartunta- ja koheesiovoimien suhteellisesta voimakkuudesta neste voi nousta (kuten vesi) tai laskea (kuten elohopea) lasikapillaariputkessa. Nousun (tai laskun) laajuus on suoraan verrannollinen nesteen pintajännitykseen ja kääntäen verrannollinen nesteen tiheyteen ja putken säteeseen.
Korkeus, johon neste nousee kapillaariputkessa, määräytyy useiden tekijöiden mukaan, kuten seuraavasta yhtälöstä ilmenee:
Tässä yhtälössä h on kapillaariputken sisällä olevan nesteen korkeus suhteessa putken ulkopuolella olevan nesteen pintaan, T on nesteen pintajännitys, θ on nesteen ja putken välinen kosketuskulma, r on putken säde, ρ on nesteen tiheys ja g on painovoiman kiihtyvyys, 9.8 m/s2. Kun putki on valmistettu materiaalista, johon nestemolekyylit vetävät voimakkaasti puoleensa, ne leviävät kokonaan pinnalle, mikä vastaa 0°:n kosketuskulmaa. Tämä on tilanne, kun vesi nousee lasiputkessa.
Esimerkki 1
Kapillaarinen nousu
Miten korkealle vesi nousee 25 °C:n lämpötilassa lasisessa kapillaariputkessa, jonka sisähalkaisija on 0,25 mm?
Vedelle T = 71.99 mN/m ja ρ = 1,0 g/cm3.
Liuos
Neste nousee korkeuteen h, joka saadaan seuraavalla kaavalla: h=\frac{2T\text{cos}\theta }{r\rho g}
Newtonin arvoksi määritellään kg m/s2, joten annettu pintajännitys vastaa 0,07199 kg/s2. Annettu tiheys on muunnettava yksiköihin, jotka kumoavat sopivasti: ρ = 1000 kg/m3. Putken halkaisija metreinä on 0,00025 m, joten säde on 0,000125 m. Veteen upotetun lasiputken kosketuskulma on θ = 0°, joten cosθ = 1. Maapallon painovoiman aiheuttama kiihtyvyys on g = 9,8 m/s2. Kun nämä arvot korvataan yhtälöön ja yksiköt kumotaan, saadaan:
Tarkista oppimasi
Vesi nousee lasisessa kapillaariputkessa 8,4 cm korkeuteen. Mikä on kapillaariputken halkaisija?
Kapillaaritoiminnan biolääketieteelliset sovellutukset
Kuva 7. Veri kerätään lääketieteellistä analyysia varten kapillaarisesti, jolloin veri imeytyy halkaisijaltaan pieneen lasiputkeen. (luotto: Centers for Disease Control and Preventionin työn muokkaus)
Monissa lääketieteellisissä testeissä tarvitaan pienen verimäärän ottamista, esimerkiksi glukoosin määrän määrittämiseksi diabetesta sairastavalta henkilöltä tai hematokriittipitoisuuden määrittämiseksi urheilijalta. Tämä toimenpide voidaan tehdä helposti, koska kapillaaritoiminta, eli nesteen kyky virrata pientä putkea pitkin painovoimaa vastaan, kuten kuvassa 7 on esitetty, mahdollistaa sen. Kun sormeen pistetään, muodostuu veripisara, joka pysyy kasassa pintajännityksen – epätasapainoisten molekyylien välisten vetovoimien – vuoksi pisaran pinnalla. Kun halkaisijaltaan kapean lasiputken avoin pää koskettaa veripisaraa, veressä olevien molekyylien ja lasin pinnalla olevien molekyylien väliset adheesiovoimat vetävät veren putkea ylöspäin. Se, kuinka pitkälle veri nousee putkea pitkin, riippuu putken halkaisijasta (ja nesteen tyypistä). Pienessä putkessa on suhteellisen suuri pinta-ala tietylle verimäärälle, mikä johtaa suurempiin (suhteellisiin) vetovoimiin, jolloin veri pääsee vetämään putkea pitemmälle. Itse nestettä pitävät koossa sen omat koheesiovoimat. Kun putkessa olevan nesteen paino synnyttää alaspäin suuntautuvan voiman, joka on yhtä suuri kuin kapillaaritoimintaan liittyvä ylöspäin suuntautuva voima, neste lakkaa nousemasta.
Keskeiset käsitteet ja yhteenveto
Nesteen olomuodossa olevien molekyylien väliset voimat vaihtelevat molekyylien kemiallisesta identiteetistä riippuen, ja ne aiheuttavat vastaavia muutoksia erilaisissa fysikaalisissa ominaisuuksissa. Samankaltaisten molekyylien väliset koheesiovoimat ovat vastuussa nesteen viskositeetista (virtausvastus) ja pintajännityksestä (nestepinnan kimmoisuus). Nesteen molekyylien ja nesteen kanssa kosketuksissa olevan pinnan muodostavien eri molekyylien väliset adheesiovoimat aiheuttavat sellaisia ilmiöitä kuin pinnan kostuminen ja kapillaarinen nousu.
Keskeiset yhtälöt
- h=\frac{2T\text{cos}\theta }{r\rho g}
Kemia Luvun lopun harjoitukset
- Kuvassa esitetyt koeputket sisältävät yhtä suuria määriä mainittuja moottoriöljyjä. Identtiset metallipallot pudotettiin samaan aikaan kumpaankin putkeen, ja hetkeä myöhemmin pallot olivat pudonneet kuvassa ilmoitettuun korkeuteen.
Luokittele moottoriöljyt lisääntyvän viskositeetin mukaiseen järjestykseen ja selitä perustelusi:
- Vaikkakin teräs on vettä tiheämpää, teräksinen, varovasti pituussuuntaisesti tyynesti seisovaan veden pintaan aseteltu terästanko tai paperinippu voidaan saada kellumaan. Selitä molekyylitasolla, miten tämä on mahdollista:
- Tässä on esitetty dietyylieetterin, asetonin, etanolin ja etyleeniglykolin pintajännitys- ja viskositeettiarvot.
- selitä niiden erot viskositeetissa niiden molekyylien koon ja muodon sekä IMF:n suhteen.
- selitä niiden erot pintajännityksessä niiden molekyylien koon ja muodon sekä IMF:n suhteen.
- Olet ehkä kuullut jonkun käyttävän sanontaa ”hitaampi kuin melassi talvella” kuvaamaan hitaasti tapahtuvaa prosessia. Selitä, miksi tämä on osuva sanonta, käyttämällä molekyylikokoa ja -muotoa, molekyylien vuorovaikutusta ja lämpötilan muuttumisen vaikutusta koskevia käsitteitä.
- Etenkin kylminä talvipäivinä suositellaan usein, että annat auton moottorin käydä tyhjäkäynnillä lämmetäkseen ennen ajamista. Vaikka pitkittyneestä tyhjäkäynnistä saatava hyöty on kyseenalainen, on varmasti totta, että lämmin moottori on polttoainetaloudellisempi kuin kylmä moottori. Selitä syy tähän.
- Veden pintajännitys ja viskositeetti useissa eri lämpötiloissa on esitetty tässä taulukossa.79
20 °C 72.8 1.00 60 °C 66.2 0.47 100 °C 58.9 0.28 - Mitä tapahtuu veden pintajännitykselle lämpötilan noustessa? Selitä, miksi näin tapahtuu, molekyylien vuorovaikutusten ja lämpötilan muutoksen vaikutuksen kannalta.
- Mitä tapahtuu veden viskositeetille lämpötilan noustessa? Selitä, miksi näin tapahtuu molekyylien vuorovaikutusten ja lämpötilan muuttumisen vaikutuksen kannalta.
- Miten korkealle vesi nousee 25 °C:ssa lasisessa kapillaariputkessa, jonka sisähalkaisija on 0,63 mm? Katso tarvittavat tiedot esimerkistä 10.4.
- Vesi nousee lasikapillaariputkessa 17 cm:n korkeuteen. Mikä on kapillaariputken halkaisija?
Valitut vastaukset
2. Vesimolekyyleillä on vahvat vetyjen välisissä molekyyleissä olevat voimat. Vesimolekyylit vetävät siten voimakkaasti toisiaan puoleensa ja niillä on suhteellisen suuri pintajännitys, jolloin ne muodostavat pinnalleen eräänlaisen ”ihon”. Tämä iho voi tukea ötökkää tai paperiliitintä, jos se asetetaan varovasti veden päälle.
4. Lämpötila vaikuttaa molekyylien välisiin voimiin: mitä korkeampi lämpötila on, sitä suuremmat ovat molekyylien kineettiset energiat ja sitä suuremmat ovat niiden molekyylien välisten voimien voittamisasteet, joten neste on sitä juoksevampi (vähemmän viskoosinen); mitä alhaisempi lämpötila on, sitä pienemmät ovat molekyylien välisten voimien voittamisasteet, ja näin ollen nesteen viskositeetti on pienempi.
6. (a) Kun vesi saavuttaa korkeamman lämpötilan, sen molekyylien lisääntyneet liike-energiat pystyvät tehokkaammin voittamaan vetysidokset, joten sen pintajännitys pienenee. Pintajännitys ja molekyylien väliset voimat ovat suorassa yhteydessä toisiinsa.
(b) Viskositeetissa nähdään sama suuntaus kuin pintajännityksessä, ja samasta syystä.
8. Tällä kertaa ratkaistaan r, koska meille annetaan h = 17 cm = 0,17 m.
\begin{array}{l}\\ \\\ 0,17\text{m}=\frac{2\left(0.0799{\text{kg/s}}^{2}\right)}{r\left(1000{\text{kg/m}}^{2}\right)\left({\text{9.8 m/s}}^{2}\right)}\\ r=9.5\ kertaa {10}^{-5}\text{m}\end{array}
Sanasto
adheesiovoima
kemialliselta identiteetiltään erilaisten molekyylien välinen vetovoima
kapillaarinen toiminta
nesteen virtaus huokoisessa johtuen nestemolekyylien vetovoimasta materiaalin pintaan ja muihin nestemolekyyleihin
koheesiovoima
identtisten molekyylien välinen vetovoima
pintajännitys
pinta-alan kasvattamiseen tarvittava energia, tai pituutta nesteen pinnalla tietyllä määrällä
viskositeetti
nesteen virtausvastuksen mitta
.