LEARNING DOELSTELLINGEN
Aan het einde van dit deel, zul je in staat zijn om:
- Onderscheid maken tussen adhesieve en cohesieve krachten
- Viscositeit, oppervlaktespanning en capillaire stijging definiëren
- De rol van intermoleculaire aantrekkingskrachten bij elk van deze eigenschappen/verschijnselen beschrijven
Wanneer u een glas water inschenkt, of een auto vult met benzine, dan ziet u dat water en benzine vrij stromen. Maar wanneer je stroop op pannenkoeken giet of olie in een automotor doet, merk je dat stroop en motorolie niet zo gemakkelijk vloeien. De viscositeit van een vloeistof is een maat voor de weerstand tegen stromen. Water, benzine en andere vloeistoffen die vrij stromen hebben een lage viscositeit. Honing, siroop, motorolie en andere vloeistoffen die niet vrij stromen, zoals de vloeistoffen in figuur 1, hebben een hogere viscositeit. We kunnen de viscositeit meten door de snelheid te meten waarmee een metalen kogel door een vloeistof valt (de kogel valt langzamer door een visceuzere vloeistof) of door de snelheid te meten waarmee een vloeistof door een smalle buis stroomt (visceuzere vloeistoffen stromen langzamer).
Figuur 1. (a) Honing en (b) motorolie zijn voorbeelden van vloeistoffen met een hoge viscositeit; ze stromen langzaam. (credit a: bewerking van Scott Bauer; credit b: bewerking van David Nagy)
De IMF’s tussen de moleculen van een vloeistof, de grootte en vorm van de moleculen, en de temperatuur bepalen hoe gemakkelijk een vloeistof stroomt. Zoals tabel 1 laat zien, hoe complexer de moleculen in een vloeistof qua structuur zijn en hoe sterker de IMF’s tussen de moleculen, des te moeilijker is het voor ze om langs elkaar heen te bewegen en des te groter is de viscositeit van de vloeistof. Naarmate de temperatuur stijgt, bewegen de moleculen sneller en zijn hun kinetische energieën beter in staat de krachten die hen bijeenhouden te overwinnen; de viscositeit van de vloeistof neemt dus af.
| Tabel 1. Viscositeit van veel voorkomende stoffen bij 25 °C | ||
|---|---|---|
| Stof | Vormula | Viscositeit (mPa-s) |
| water | H2O | 0.890 |
| kwik | Hg | 1,526 |
| ethanol | C2H5OH | 1,074 |
| octaan | C8H18 | 0.508 |
| ethyleenglycol | CH2(OH)CH2(OH) | 16.1 |
| honing | variabel | ~2.000-10.000 |
| motorolie | variabel | ~50-500 |
De verschillende IMF’s tussen identieke moleculen van een stof zijn voorbeelden van cohesiekrachten. De moleculen in een vloeistof zijn omgeven door andere moleculen en worden in alle richtingen gelijkelijk aangetrokken door de cohesiekrachten in de vloeistof. De moleculen aan het oppervlak van een vloeistof worden echter door slechts ongeveer de helft van het aantal moleculen aangetrokken. Vanwege de onevenwichtige moleculaire aantrekkingskrachten op de moleculen aan het oppervlak, trekken vloeistoffen samen om een vorm te vormen die het aantal moleculen aan het oppervlak minimaliseert – dat wil zeggen, de vorm met het minimale oppervlak. Een kleine vloeistofdruppel heeft de neiging een bolvorm aan te nemen, zoals in figuur 2 is te zien, omdat in een bol de verhouding tussen oppervlakte en volume minimaal is. Grotere druppels worden sterker beïnvloed door de zwaartekracht, luchtweerstand, oppervlakte-interacties, enzovoort, en zijn daardoor minder bolvormig.
Figuur 2. Aantrekkende krachten resulteren in een bolvormige waterdruppel met een zo klein mogelijk oppervlak; cohesiekrachten houden de bol bijeen; hechtende krachten houden de druppel aan het web vast. (credit: modificatie van werk van “OliBac”/Flickr)
De oppervlaktespanning wordt gedefinieerd als de energie die nodig is om het oppervlak van een vloeistof te vergroten, of de kracht die nodig is om de lengte van een vloeistofoppervlak met een bepaalde hoeveelheid te vergroten. Deze eigenschap is het gevolg van de cohesiekrachten tussen moleculen aan het oppervlak van een vloeistof, en zorgt ervoor dat het oppervlak van een vloeistof zich gedraagt als een uitgerekt rubberen membraan. De oppervlaktespanningen van verschillende vloeistoffen zijn weergegeven in tabel 2. Onder de gewone vloeistoffen vertoont water een duidelijk hoge oppervlaktespanning als gevolg van de sterke waterstofbinding tussen de moleculen. Als gevolg van deze hoge oppervlaktespanning is het oppervlak van water een relatief “taaie huid” die aanzienlijke kracht kan weerstaan zonder te breken. Een stalen naald die voorzichtig op water wordt geplaatst, blijft drijven. Sommige insecten, zoals het insect in figuur 3, bewegen op het oppervlak, ook al hebben ze een grotere dichtheid dan water, omdat ze door de oppervlaktespanning worden ondersteund.
| Tabel 2. Oppervlaktespanningen van veel voorkomende stoffen bij 25 °C | ||
|---|---|---|
| Stof | Vorm | Vlaktespanning (mN/m) |
| water | H2O | 71.99 |
| kwik | Hg | 458.48 |
| ethanol | C2H5OH | 21.97 |
| octaan | C8H18 | 21.14 |
| ethyleenglycol | CH2(OH)CH2(OH) | 47,99 |
Figuur 3. Oppervlaktespanning (rechts) voorkomt dat dit insect, een “schaatsenrijder”, in het water wegzinkt (links).
De IMF’s van aantrekkingskracht tussen twee verschillende moleculen worden kleefkrachten genoemd. Bedenk wat er gebeurt als water in contact komt met een of ander oppervlak. Als de kleefkrachten tussen de watermoleculen en de moleculen van het oppervlak zwak zijn in vergelijking met de cohesiekrachten tussen de watermoleculen, wordt het oppervlak niet “nat”. Water wordt bijvoorbeeld niet nat op met was behandelde oppervlakken of op veel kunststoffen zoals polyethyleen. Water vormt druppels op deze oppervlakken omdat de cohesiekrachten binnen de druppels groter zijn dan de adhesiekrachten tussen het water en de kunststof. Water verspreidt zich op glas omdat de kleefkracht tussen water en glas groter is dan de cohesiekrachten binnenin het water. Wanneer water wordt opgesloten in een glazen buis, heeft de meniscus (het oppervlak) een holle vorm omdat het water het glas nat maakt en langs de zijkant van de buis omhoog kruipt. Anderzijds zijn de cohesiekrachten tussen kwikatomen veel groter dan de adhesiekrachten tussen kwik en glas. Kwik maakt het glas dus niet nat en vormt een bolle meniscus wanneer het in een buis opgesloten zit, omdat de cohesiekrachten binnen het kwik de neiging hebben het tot een druppel te trekken (figuur 4).
Figuur 4. Verschillen in de relatieve sterkte van cohesie- en adhesiekrachten resulteren in verschillende meniscusvormen voor kwik (links) en water (rechts) in glazen buizen. (credit: Mark Ott)
Als je een uiteinde van een papieren handdoek in gemorste wijn legt, zoals in figuur 5, dan trekt de vloeistof langs de papieren handdoek omhoog. Een soortgelijk proces vindt plaats in een handdoek waarmee u zich na het douchen afdroogt. Dit zijn voorbeelden van capillaire werking, waarbij een vloeistof in een poreus materiaal stroomt door de aantrekkingskracht van de vloeistofmoleculen op het oppervlak van het materiaal en op andere vloeistofmoleculen. De kleefkrachten tussen de vloeistof en het poreuze materiaal, gecombineerd met de cohesiekrachten binnen de vloeistof, kunnen sterk genoeg zijn om de vloeistof tegen de zwaartekracht in omhoog te bewegen.
Figuur 5. Wijn wordt opgezogen door een papieren handdoek (links) vanwege de sterke aantrekkingskracht van watermoleculen (en ethanol) op de -OH-groepen op de cellulosevezels van de handdoek en de sterke aantrekkingskracht van watermoleculen op andere watermoleculen (en ethanolmoleculen) (rechts). (credit foto: modificatie van werk van Mark Blaser)
Doeken zuigen vloeistoffen op zoals water omdat de vezels van een handdoek gemaakt zijn van moleculen die worden aangetrokken door watermoleculen. De meeste stoffen handdoeken zijn gemaakt van katoen, en papieren handdoeken zijn meestal gemaakt van papierpulp. Beide bestaan uit lange moleculen van cellulose die veel -OH groepen bevatten. Watermoleculen worden aangetrokken door deze -OH groepen en vormen waterstofbruggen met hen, waardoor de H2O moleculen langs de cellulosemoleculen omhoog worden getrokken. De watermoleculen worden ook tot elkaar aangetrokken, zodat grote hoeveelheden water door de cellulosevezels omhoog worden getrokken.
Capillaire werking kan ook optreden wanneer een uiteinde van een buis met een kleine diameter in een vloeistof wordt ondergedompeld, zoals geïllustreerd in figuur 6. Als de vloeistofmoleculen sterk worden aangetrokken door de buismoleculen, kruipt de vloeistof langs de binnenkant van de buis omhoog totdat het gewicht van de vloeistof en de kleefkrachten in evenwicht zijn. Hoe kleiner de diameter van de buis is, hoe hoger de vloeistof klimt. Het is gedeeltelijk door capillaire werking in plantencellen, xyleem genaamd, dat water en opgeloste voedingsstoffen van de bodem omhoog worden gebracht door de wortels en in een plant. Capillaire werking is de basis voor dunnelaagchromatografie, een laboratoriumtechniek die vaak wordt gebruikt om kleine hoeveelheden mengsels te scheiden. U bent afhankelijk van een constante toevoer van tranen om uw ogen gesmeerd te houden en van capillaire werking om traanvocht weg te pompen.
Figuur 6. Afhankelijk van de relatieve sterkte van de adhesieve en cohesieve krachten, kan een vloeistof stijgen (zoals water) of dalen (zoals kwik) in een glazen capillair. De mate van stijging (of daling) is recht evenredig met de oppervlaktespanning van de vloeistof en omgekeerd evenredig met de dichtheid van de vloeistof en de straal van de buis.
De hoogte tot waar een vloeistof zal stijgen in een capillair buisje wordt bepaald door verschillende factoren zoals blijkt uit de volgende vergelijking:
In deze vergelijking is h de hoogte van de vloeistof in het capillair ten opzichte van het vloeistofoppervlak buiten het buisje, T is de oppervlaktespanning van de vloeistof, θ is de contacthoek tussen de vloeistof en het buisje, r is de straal van het buisje, ρ is de dichtheid van de vloeistof, en g is de versnelling ten gevolge van de zwaartekracht, 9.8 m/s2. Wanneer de buis bestaat uit een materiaal waartoe de vloeistofmoleculen sterk worden aangetrokken, zullen zij zich volledig over het oppervlak uitspreiden, hetgeen overeenkomt met een contacthoek van 0°. Dit is de situatie voor water dat in een glazen buis opstijgt.
Voorbeeld 1
Capillaire stijging
Bij 25 °C, hoe hoog zal water in een glazen capillaire buis met een binnendiameter van 0,25 mm opstijgen?
Voor water, T = 71.99 mN/m en ρ = 1,0 g/cm3.
Oplossing
De vloeistof zal stijgen tot een hoogte h gegeven door: h={2Ttext{cos}theta }{r} g}
De Newton is gedefinieerd als een kg m/s2, en dus is de gegeven oppervlaktespanning gelijk aan 0,07199 kg/s2. De opgegeven dichtheid moet worden omgerekend in eenheden die op de juiste wijze opheffen: ρ = 1000 kg/m3. De diameter van de buis in meters is 0,00025 m, dus de straal is 0,000125 m. Voor een glazen buis ondergedompeld in water is de contacthoek θ = 0°, dus cosθ = 1. Tenslotte is de versnelling ten gevolge van de zwaartekracht op aarde g = 9,8 m/s2. Als we deze waarden in de vergelijking invoegen en de eenheden wegstrepen, dan krijgen we:
Check Your Learning
Water stijgt in een glazen capillair op tot een hoogte van 8,4 cm. Wat is de diameter van het capillair?
Biomedische toepassingen van capillaire werking
Figuur 7. Bloed wordt voor medische analyse afgenomen door capillaire werking, waarbij bloed in een glazen buisje met een kleine diameter wordt opgezogen. (credit: bewerking van werk van Centers for Disease Control and Prevention)
Veel medische tests vereisen het afnemen van een kleine hoeveelheid bloed, bijvoorbeeld om de hoeveelheid glucose te bepalen bij iemand met diabetes of het hematocrietgehalte bij een atleet. Deze procedure kan gemakkelijk worden uitgevoerd vanwege de capillaire werking, het vermogen van een vloeistof om tegen de zwaartekracht in een klein buisje omhoog te stromen, zoals te zien is in figuur 7. Wanneer u in uw vinger prikt, vormt zich een druppel bloed die bijeengehouden wordt door oppervlaktespanning – de ongebalanceerde intermoleculaire aantrekkingskracht aan het oppervlak van de druppel. Wanneer het open uiteinde van een glazen buisje met een smalle diameter in aanraking komt met de bloeddruppel, trekken de kleefkrachten tussen de moleculen in het bloed en die aan het glasoppervlak het bloed omhoog in het buisje. Hoe ver het bloed omhoog gaat, hangt af van de diameter van het buisje (en het soort vloeistof). Een kleine buis heeft een relatief groot oppervlak voor een gegeven volume bloed, wat resulteert in grotere (relatieve) aantrekkingskrachten, waardoor het bloed verder de buis in kan worden getrokken. De vloeistof zelf wordt bijeengehouden door haar eigen cohesiekrachten. Wanneer het gewicht van de vloeistof in de buis een neerwaartse kracht genereert die gelijk is aan de opwaartse kracht die gepaard gaat met de capillaire werking, stopt de vloeistof met stijgen.
Key Concepts and Summary
De intermoleculaire krachten tussen moleculen in vloeibare toestand variëren afhankelijk van hun chemische identiteit en resulteren in overeenkomstige variaties in diverse fysische eigenschappen. Cohesiekrachten tussen gelijksoortige moleculen zijn verantwoordelijk voor de viscositeit (weerstand tegen stroming) en oppervlaktespanning (elasticiteit van een vloeibaar oppervlak) van een vloeistof. Kleefkrachten tussen de moleculen van een vloeistof en verschillende moleculen waaruit een oppervlak is opgebouwd dat in contact komt met de vloeistof, zijn verantwoordelijk voor verschijnselen als oppervlaktebevochtiging en capillaire opstijging.
Key Equations
- h=\frac{2Tekst{cos}theta }{r g}
Chemistry End of Chapter Exercises
- De hier getoonde reageerbuisjes bevatten gelijke hoeveelheden van de gespecificeerde motoroliën. Identieke metalen bollen werden op hetzelfde moment in elk van de buisjes gegooid, en even later waren de bollen tot de in de illustratie aangegeven hoogten gedaald.
Rangschik de motoroliën in volgorde van toenemende viscositeit, en leg je redenering uit:
- Hoewel staal dichter is dan water, kan een stalen naald of paperclip die voorzichtig in de lengterichting op het oppervlak van stilstaand water wordt geplaatst, toch laten drijven. Leg op moleculair niveau uit hoe dit mogelijk is:
- De waarden van de oppervlaktespanning en de viscositeit voor diethylether, aceton, ethanol en ethyleenglycol zijn hier weergegeven.
- Verklar hun verschillen in viscositeit in termen van de grootte en vorm van hun moleculen en hun IMF’s.
- Verklar hun verschillen in oppervlaktespanning in termen van de grootte en vorm van hun moleculen en hun IMF’s.
- Je hebt misschien wel eens iemand de uitdrukking “langzamer dan melasse in de winter” horen gebruiken om een proces te beschrijven dat langzaam verloopt. Leg uit waarom dit een treffend idioom is, met behulp van concepten van moleculaire grootte en vorm, moleculaire interacties, en het effect van veranderende temperatuur.
- Het wordt vaak aanbevolen dat u uw automotor stationair laat draaien om op te warmen voordat u gaat rijden, vooral op koude winterdagen. Hoewel het voordeel van langdurig stationair draaien twijfelachtig is, is het zeker waar dat een warme motor zuiniger is dan een koude. Leg uit waarom dit zo is.
- De oppervlaktespanning en viscositeit van water bij verschillende temperaturen zijn in deze tabel gegeven.
Water Vlaktespanning (mN/m) Viscositeit (mPa s) 0 °C 75,6 1.79 20 °C 72.8 1.00 60 °C 66.2 0.47 100 °C 58,9 0,28 - Als de temperatuur toeneemt, wat gebeurt er dan met de oppervlaktespanning van water? Leg uit waarom dit gebeurt, in termen van moleculaire interacties en het effect van veranderende temperatuur.
- Als de temperatuur toeneemt, wat gebeurt er dan met de viscositeit van water? Leg uit waarom dit gebeurt, in termen van moleculaire interacties en het effect van veranderende temperatuur.
- Op 25 °C, hoe hoog zal water stijgen in een glazen capillair met een binnendiameter van 0,63 mm? Raadpleeg voorbeeld 10.4 voor de benodigde informatie.
- Water stijgt in een glazen capillair tot een hoogte van 17 cm. Wat is de diameter van het capillair?
Geselecteerde antwoorden
2. De watermoleculen hebben sterke intermoleculaire krachten van waterstofbinding. De watermoleculen worden dus sterk tot elkaar aangetrokken en vertonen een relatief grote oppervlaktespanning, waardoor aan het oppervlak een soort “huid” wordt gevormd. Deze huid kan een insect of een paperclip ondersteunen als deze voorzichtig op het water wordt geplaatst.
4. De temperatuur heeft een effect op de intermoleculaire krachten: hoe hoger de temperatuur, hoe groter de kinetische energieën van de moleculen en hoe groter de mate waarin hun intermoleculaire krachten worden overwonnen, en dus hoe vloeibaarder (minder viskeus) de vloeistof; hoe lager de temperatuur, hoe minder de intermoleculaire krachten worden overwonnen, en dus hoe minder viskeus de vloeistof.
6. a) Naarmate het water een hogere temperatuur bereikt, zijn de verhoogde kinetische energieën van de moleculen effectiever in het overwinnen van de waterstofbruggen, en zo neemt de oppervlaktespanning af. Oppervlaktespanning en intermoleculaire krachten zijn direct aan elkaar gerelateerd.
(b) Dezelfde trend in viscositeit wordt gezien als in oppervlaktespanning, en om dezelfde reden.
8. Deze keer lossen we op voor r, want we krijgen h = 17 cm = 0,17 m.
begin{array}{l} 0,17{text{m}=20799{\text{kg/s}}^{2}\right)}{r\left(1000{\text{kg/m}}^{2}\right)\left({\text{9.8 m/s}}^{2}\right)}\\ r=9.5 keer 10}^{-5}}^{m}
Glossary
adhesiekracht
aantrekkingskracht tussen moleculen van verschillende chemische identiteit
capillaire werking
stroming van vloeistof in een poreus materiaal door de aantrekkingskracht van de vloeistofmoleculen op het oppervlak van het materiaal en op andere vloeistofmoleculen
cohesiekracht
Aantrekkingskracht tussen identieke moleculen
oppervlaktespanning
energie die nodig is om de oppervlakte, of lengte, van een vloeibaar oppervlak met een bepaalde hoeveelheid
viscositeit
meting van de weerstand van een vloeistof tegen stroming