Kémia

Amikor egy pohár vizet töltesz, vagy egy autóba benzint töltesz, megfigyeled, hogy a víz és a benzin szabadon áramlik. Amikor azonban szirupot öntesz a palacsintára, vagy olajat töltesz egy autó motorjába, azt veszed észre, hogy a szirup és a motorolaj nem folyik olyan könnyen. A folyadék viszkozitása az áramlási ellenállás mértékegysége. A víz, a benzin és más, szabadon áramló folyadékok viszkozitása alacsony. A méz, a szirup, a motorolaj és más, nem szabadon áramló folyadékok, mint az 1. ábrán láthatóak, magasabb viszkozitásúak. A viszkozitást úgy mérhetjük, hogy megmérjük, milyen gyorsan esik át egy fémgolyó egy folyadékon (a golyó lassabban esik át egy viszkózusabb folyadékon), vagy megmérjük, milyen gyorsan folyik át egy folyadék egy szűk csövön (a viszkózusabb folyadékok lassabban áramlanak).

Az 1. ábra. (a) a méz és (b) a motorolaj példák a nagy viszkozitású folyadékokra; lassan áramlanak. (a kredit: Scott Bauer munkájának módosítása; b kredit: Nagy Dávid munkájának módosítása)

A folyadék molekulái közötti IMF-ek, a molekulák mérete és alakja, valamint a hőmérséklet határozza meg, hogy egy folyadék milyen könnyen áramlik. Amint az 1. táblázat mutatja, minél összetettebb szerkezetűek egy folyadék molekulái, és minél erősebbek a köztük lévő IMF-ek, annál nehezebben tudnak elmozdulni egymás mellett, és annál nagyobb a folyadék viszkozitása. A hőmérséklet növekedésével a molekulák gyorsabban mozognak, és kinetikus energiáik jobban képesek legyőzni az őket összetartó erőket; így a folyadék viszkozitása csökken.

Az anyag azonos molekulái közötti különböző IMF-ek az összetartó erők példái. A folyadékban lévő molekulákat más molekulák veszik körül, és a folyadékon belüli kohéziós erők minden irányban egyformán vonzzák őket. A folyadék felszínén lévő molekulákat azonban csak körülbelül feleannyi molekula vonzza. A felszíni molekulák kiegyensúlyozatlan molekuláris vonzása miatt a folyadékok olyan alakzatba húzódnak össze, amely minimalizálja a felszínen lévő molekulák számát – vagyis a legkisebb felülettel rendelkező alakzatba. Egy kis folyadékcsepp hajlamos gömb alakot felvenni, amint azt a 2. ábra mutatja, mivel a gömbben a felület és a térfogat aránya minimális. A nagyobb cseppekre nagyobb hatással van a gravitáció, a légellenállás, a felületi kölcsönhatások és így tovább, és ennek következtében kevésbé gömb alakúak.

2. ábra. A vonzóerők gömb alakú vízcseppet eredményeznek, amely minimalizálja a felületet; a kohéziós erők összetartják a gömböt; a tapadóerők a cseppet a hálóhoz rögzítik. (hitel: “OliBac”/Flickr munkájának módosítása)

A felületi feszültséget úgy határozzák meg, mint a folyadék felületének növeléséhez szükséges energiát, vagy a folyadékfelület hosszának adott mértékű növeléséhez szükséges erőt. Ez a tulajdonság a folyadék felületén lévő molekulák közötti kohéziós erőkből adódik, és ez okozza, hogy a folyadék felülete úgy viselkedik, mint egy kifeszített gumimembrán. A 2. táblázatban több folyadék felületi feszültségét mutatjuk be. A gyakori folyadékok közül a víz kifejezetten magas felületi feszültséget mutat a molekulái közötti erős hidrogénkötés miatt. E nagy felületi feszültség következtében a víz felszíne viszonylag “kemény bőrt” képez, amely jelentős erőhatásokat képes elviselni anélkül, hogy megtörne. Egy óvatosan vízre helyezett acéltű lebegni fog. Egyes rovarok, mint például a 3. ábrán látható, annak ellenére, hogy sűrűbbek a víznél, azért mozognak a felszínén, mert a felületi feszültség megtámasztja őket.

3. ábra. A felületi feszültség (jobbra) megakadályozza, hogy ez a rovar, a “vízi rétisas” elsüllyedjen a vízbe (balra).

A két különböző molekula közötti vonzóerőket IMF-nek nevezzük. Nézzük meg, mi történik, amikor a víz valamilyen felülettel érintkezik. Ha a vízmolekulák és a felület molekulái közötti tapadóerők gyengék a vízmolekulák közötti kohéziós erőkhöz képest, akkor a víz nem “nedvesíti” a felületet. Például a víz nem nedvesíti meg a viaszos felületeket vagy számos műanyagot, például a polietilént. A víz cseppeket képez ezeken a felületeken, mert a cseppeken belüli kohéziós erők nagyobbak, mint a víz és a műanyag közötti tapadóerők. A víz szétterül az üvegen, mert a víz és az üveg közötti tapadóerő nagyobb, mint a vízben lévő kohéziós erők. Amikor a víz egy üvegcsőben van, a meniszkusza (felülete) homorú alakú, mert a víz nedvesíti az üveget és felkúszik a cső oldalán. Másrészt a higanyatomok közötti kohéziós erők sokkal nagyobbak, mint a higany és az üveg közötti tapadóerők. A higany ezért nem nedvesíti meg az üveget, és domború meniszkuszt képez, amikor egy csőben van bezárva, mert a higanyban lévő kohéziós erők hajlamosak cseppé vonni azt (4. ábra).

4. ábra. A kohéziós és adhéziós erők relatív erősségének különbségei a higany (balra) és a víz (jobbra) eltérő meniszkusz alakját eredményezik üvegcsövekben. (hitel: Mark Ott)

Ha egy papírtörlő egyik végét kiömlött borba helyezzük, ahogy az 5. ábrán látható, a folyadék felszivárog a papírtörlőre. Hasonló folyamat játszódik le egy szövet törülközőben is, amikor zuhanyzás után megszárítkozunk vele. Ezek példák a kapilláris hatásra – amikor a folyadék egy porózus anyagban áramlik a folyadékmolekuláknak az anyag felületéhez és más folyadékmolekulákhoz való vonzódása miatt. A folyadék és a porózus anyag közötti tapadóerők a folyadékon belüli kohéziós erőkkel kombinálva elég erősek lehetnek ahhoz, hogy a folyadékot a gravitációval szemben felfelé mozdítsák.

5. ábra. A bor felszívja a papírtörülközőt (balra), mivel a víz (és az etanol) molekulák erősen vonzzák a törülköző cellulózszálainak -OH csoportjait, és a vízmolekulák erősen vonzzák a többi víz (és etanol) molekulát (jobbra). (hitelkép: Mark Blaser munkájának módosítása)

A törölközők azért szívják magukba a folyadékokat, mint a vizet, mert a törölköző rostjai olyan molekulákból állnak, amelyek vonzzák a vízmolekulákat. A legtöbb szövet törölköző pamutból készül, a papírtörülközők pedig általában papírpépből készülnek. Mindkettő hosszú cellulózmolekulákból áll, amelyek sok -OH csoportot tartalmaznak. A vízmolekulák vonzódnak ezekhez az -OH-csoportokhoz, és hidrogénkötést képeznek velük, ami a H2O-molekulákat felfelé húzza a cellulózmolekulákon. A vízmolekulák egymást is vonzzák, így nagy mennyiségű víz húzódik felfelé a cellulózszálakon.

A kapilláris hatás akkor is felléphet, ha egy kis átmérőjű cső egyik végét folyadékba merítjük, amint azt a 6. ábra szemlélteti. Ha a folyadékmolekulák erősen vonzzák a cső molekuláit, a folyadék addig kúszik felfelé a cső belsejében, amíg a folyadék súlya és a tapadóerők egyensúlyba nem kerülnek. Minél kisebb a cső átmérője, annál magasabbra mászik a folyadék. A víz és az oldott tápanyagok részben a növényi sejtekben, az úgynevezett xilémában lejátszódó kapilláris hatás révén jutnak fel a talajból a gyökereken keresztül a növénybe. A kapilláris hatás az alapja a vékonyréteg-kromatográfiának, egy olyan laboratóriumi technikának, amelyet általában kis mennyiségű keverékek szétválasztására használnak. A szemünk folyamatos könnyellátásától függ, hogy a szemünk kenhető maradjon, és a kapilláris hatástól függ, hogy a könnyfolyadékot elszivattyúzzuk.

6. ábra. A tapadó és kohéziós erők relatív erősségétől függően egy folyadék emelkedhet (mint például a víz) vagy süllyedhet (mint például a higany) egy üvegkapilláris csőben. Az emelkedés (vagy esés) mértéke egyenesen arányos a folyadék felületi feszültségével és fordítottan arányos a folyadék sűrűségével és a cső sugarával.

Azt a magasságot, ameddig egy folyadék egy kapilláriscsőben emelkedik, több tényező határozza meg, amint azt az alábbi egyenlet mutatja:

Ebben az egyenletben h a folyadék magassága a kapilláriscsőben a folyadék csövön kívüli felületéhez képest, T a folyadék felületi feszültsége, θ a folyadék és a cső közötti érintkezési szög, r a cső sugara, ρ a folyadék sűrűsége, g pedig a gravitáció okozta gyorsulás, 9 .8 m/s2. Ha a cső olyan anyagból készült, amelyhez a folyadékmolekulák erősen vonzódnak, akkor azok teljesen szétterülnek a felületen, ami 0°-os érintkezési szögnek felel meg. Ez a helyzet az üvegcsőben emelkedő víz esetében áll fenn.

A kapilláris működés orvosbiológiai alkalmazásai

7. ábra. A vért az orvosi elemzéshez kapilláris működéssel gyűjtik, amely a vért egy kis átmérőjű üvegcsőbe szívja. (hitel: a Centers for Disease Control and Prevention munkájának módosítása)

Sok orvosi vizsgálathoz kis mennyiségű vért kell venni, például cukorbetegeknél a glükóz mennyiségének vagy sportolóknál a hematokrit szintjének meghatározásához. Ez az eljárás könnyen elvégezhető a kapilláris hatás miatt, vagyis a folyadék azon képessége miatt, hogy a gravitáció ellenében felfelé áramlik egy kis csőben, amint azt a 7. ábra mutatja. Amikor az ujjába szúrunk, egy vércsepp keletkezik, amely a felületi feszültség – a csepp felszínén lévő kiegyensúlyozatlan intermolekuláris vonzások – miatt összetart. Ezután, amikor egy keskeny átmérőjű üvegcső nyitott vége hozzáér a vércsepphez, a vérben lévő molekulák és az üvegfelületen lévő molekulák közötti tapadóerők felfelé húzzák a vért a csőben. A cső átmérőjétől (és a folyadék típusától) függ, hogy a vér milyen messzire jut fel a csőben. Egy kis cső viszonylag nagy felülettel rendelkezik egy adott mennyiségű vérhez képest, ami nagyobb (relatív) vonzóerőt eredményez, ami lehetővé teszi, hogy a vér messzebbre húzódjon felfelé a csőben. Magát a folyadékot a saját kohéziós erői tartják össze. Amikor a csőben lévő folyadék súlya a kapilláris hatáshoz kapcsolódó felfelé irányuló erővel egyenlő lefelé irányuló erőt hoz létre, a folyadék megáll az emelkedésben.