CELE NAUCZANIA
Do końca tego rozdziału, będziesz w stanie:
- Rozróżnić siły adhezji i kohezji
- Zdefiniować lepkość, napięcie powierzchniowe i podciąganie kapilarne
- Opisać rolę międzycząsteczkowych sił przyciągania w każdej z tych właściwości/zjawisk
Kiedy nalewasz szklankę wody lub napełniasz samochód benzyną, obserwujesz, że woda i benzyna płyną swobodnie. Ale kiedy nalewasz syrop na naleśniki lub dodajesz olej do silnika samochodowego, zauważasz, że syrop i olej silnikowy nie płyną tak łatwo. Lepkość cieczy jest miarą jej oporu przy płynięciu. Woda, benzyna i inne ciecze, które płyną swobodnie, mają niską lepkość. Miód, syrop, olej silnikowy i inne ciecze, które nie płyną swobodnie, jak te pokazane na rysunku 1, mają wyższą lepkość. Możemy zmierzyć lepkość mierząc szybkość, z jaką metalowa kulka spada przez ciecz (kulka spada wolniej przez ciecz o większej lepkości) lub mierząc szybkość, z jaką ciecz przepływa przez wąską rurkę (ciecze o większej lepkości płyną wolniej).
Rysunek 1. (a) Miód i (b) olej silnikowy są przykładami cieczy o wysokiej lepkości; płyną powoli. (kredyt a: modyfikacja pracy Scotta Bauera; kredyt b: modyfikacja pracy Davida Nagy’ego)
Współczynniki IMF między cząsteczkami cieczy, rozmiar i kształt cząsteczek oraz temperatura określają, jak łatwo ciecz płynie. Jak pokazuje tabela 1, im bardziej złożone strukturalnie są cząsteczki w cieczy i im silniejsze IMF między nimi, tym trudniej jest im poruszać się obok siebie i tym większa jest lepkość cieczy. Wraz ze wzrostem temperatury, cząsteczki poruszają się szybciej, a ich energie kinetyczne są w stanie lepiej pokonać siły, które trzymają je razem; dlatego lepkość cieczy maleje.
| Tabela 1. Lepkość powszechnych substancji w 25 °C | ||
|---|---|---|
| Substancja | Formuła | Wiskoza (mPa-s) |
| Woda | H2O | 0.890 |
| merkury | Hg | 1.526 |
| etanol | C2H5OH | 1.074 |
| oktan | C8H18 | 0.508 |
| glikol etylenowy | CH2(OH)CH2(OH) | 16.1 |
| miód | zmienna | ~2,000-10,000 |
| olej silnikowy | zmienna | ~50-500 |
Różne IMF pomiędzy identycznymi cząsteczkami substancji są przykładami sił spójności. Molekuły w cieczy są otoczone przez inne molekuły i są przyciągane jednakowo we wszystkich kierunkach przez siły spójności w cieczy. Jednakże, cząsteczki na powierzchni cieczy są przyciągane tylko przez około połowę więcej cząsteczek. Z powodu niezrównoważonego przyciągania cząsteczek na powierzchni, ciecze kurczą się tworząc kształt, który minimalizuje liczbę cząsteczek na powierzchni – czyli kształt o minimalnej powierzchni. Mała kropla cieczy ma tendencję do przyjmowania kształtu kulistego, jak pokazano na rysunku 2, ponieważ w kuli stosunek powierzchni do objętości jest minimalny. Większe krople są bardziej dotknięte przez grawitację, opór powietrza, interakcje powierzchniowe, i tak dalej, i w rezultacie są mniej kuliste.
Rysunek 2. Siły przyciągające powodują powstanie kulistej kropli wody, która minimalizuje powierzchnię; siły spójności utrzymują kulę razem; siły adhezji utrzymują kroplę przyczepioną do pajęczyny. (kredyt: modyfikacja pracy przez „OliBac”/Flickr)
Napięcie powierzchniowe jest zdefiniowane jako energia wymagana do zwiększenia powierzchni cieczy, lub siła wymagana do zwiększenia długości powierzchni cieczy o daną ilość. Właściwość ta wynika z sił spójności między cząsteczkami na powierzchni cieczy i powoduje, że powierzchnia cieczy zachowuje się jak rozciągnięta gumowa membrana. W tabeli 2 przedstawiono napięcia powierzchniowe kilku cieczy. Wśród powszechnie występujących cieczy woda wykazuje wyraźnie wysokie napięcie powierzchniowe ze względu na silne wiązanie wodorowe pomiędzy jej cząsteczkami. W wyniku tego wysokiego napięcia powierzchniowego, powierzchnia wody stanowi stosunkowo „twardą skórę”, która może wytrzymać znaczne siły bez pękania. Stalowa igła ostrożnie umieszczona na wodzie będzie się unosić. Niektóre owady, jak ten pokazany na rysunku 3, mimo że są gęstsze od wody, poruszają się po jej powierzchni, ponieważ są wspierane przez napięcie powierzchniowe.
| Tabela 2. Surface Tensions of Common Substances at 25 °C | ||
|---|---|---|
| Substance | Formula | Surface Tension (mN/m) |
| Woda | H2O | 71.99 |
| merkury | Hg | 458.48 |
| etanol | C2H5OH | 21.97 |
| oktan | C8H18 | 21.14 |
| glikol etylenowy | CH2(OH)CH2(OH) | 47.99 |
Rysunek 3. Napięcie powierzchniowe (po prawej) uniemożliwia temu owadowi, „striderowi wodnemu”, zatopienie się w wodzie (po lewej).
FMW przyciągania między dwiema różnymi cząsteczkami nazywane są siłami adhezji. Rozważmy, co się dzieje, gdy woda wchodzi w kontakt z jakąś powierzchnią. Jeśli siły adhezji pomiędzy cząsteczkami wody i cząsteczkami powierzchni są słabe w porównaniu z siłami spójności pomiędzy cząsteczkami wody, woda nie „zwilża” powierzchni. Na przykład, woda nie zwilża powierzchni woskowanych lub wielu tworzyw sztucznych, takich jak polietylen. Woda tworzy na tych powierzchniach krople, ponieważ siły spójności wewnątrz kropli są większe niż siły adhezji pomiędzy wodą a tworzywem sztucznym. Woda rozprzestrzenia się na szkle, ponieważ siła adhezji pomiędzy wodą a szkłem jest większa niż siły spójności wewnątrz wody. Kiedy woda jest zamknięta w szklanej rurce, jej menisk (powierzchnia) ma kształt wklęsły, ponieważ woda zwilża szkło i pełznie w górę po ściance rurki. Z drugiej strony, siły spójności pomiędzy atomami rtęci są znacznie większe niż siły adhezji pomiędzy rtęcią a szkłem. Dlatego rtęć nie moczy szkła i tworzy wypukły menisk, gdy jest zamknięta w probówce, ponieważ siły spójności wewnątrz rtęci mają tendencję do przyciągania jej do kropli (rysunek 4).
Rysunek 4. Różnice we względnych siłach sił kohezji i adhezji powodują różne kształty menisku dla rtęci (po lewej) i wody (po prawej) w szklanych probówkach. (kredyt: Mark Ott)
Jeśli umieścisz jeden koniec papierowego ręcznika w rozlanym winie, jak pokazano na Rysunku 5, ciecz wsiąka w papierowy ręcznik. Podobny proces zachodzi w ręczniku z tkaniny, gdy używasz go do osuszenia się po prysznicu. Są to przykłady działania kapilarnego – kiedy ciecz przepływa w porowatym materiale ze względu na przyciąganie cząsteczek cieczy do powierzchni materiału i do innych cząsteczek cieczy. Siły adhezyjne między cieczą i porowatego materiału, w połączeniu z siłami spójności w cieczy, może być wystarczająco silny, aby przenieść ciecz w górę wbrew grawitacji.
Rysunek 5. Wino wsiąka w ręcznik papierowy (po lewej) z powodu silnego przyciągania cząsteczek wody (i etanolu) do grup -OH na włóknach celulozy ręcznika oraz silnego przyciągania cząsteczek wody do innych cząsteczek wody (i etanolu) (po prawej). (zdjęcie kredytowe: modyfikacja pracy Marka Blasera)
Ręczniki nasiąkają płynami takimi jak woda, ponieważ włókna ręcznika są wykonane z cząsteczek, które są przyciągane do cząsteczek wody. Większość ręczników tkaninowych jest wykonana z bawełny, a ręczniki papierowe są zazwyczaj wykonane z masy papierowej. Oba rodzaje składają się z długich cząsteczek celulozy, które zawierają wiele grup -OH. Cząsteczki wody są przyciągane do tych grup -OH i tworzą z nimi wiązania wodorowe, które przyciągają cząsteczki H2O w górę cząsteczek celulozy. Cząsteczki wody są również przyciągane do siebie, więc duże ilości wody są rysowane w górę włókien celulozy.
Akcja kapilarna może również wystąpić, gdy jeden koniec rurki o małej średnicy jest zanurzony w cieczy, jak pokazano na rysunku 6. Jeśli cząsteczki cieczy są silnie przyciągane do cząsteczek rurki, ciecz pełznie w górę wnętrza rurki, aż ciężar cieczy i siły adhezji są w równowadze. Im mniejsza jest średnica rurki, tym wyżej wspina się ciecz. Woda i rozpuszczone składniki odżywcze są przenoszone z gleby przez korzenie do rośliny częściowo dzięki działaniu kapilarnemu zachodzącemu w komórkach roślinnych zwanych ksylemem. Działanie kapilarne jest podstawą chromatografii cienkowarstwowej, techniki laboratoryjnej powszechnie stosowanej do rozdzielania małych ilości mieszanin. Zależy od stałego dopływu łez, aby utrzymać oczy nasmarowane i od działania kapilarnego, aby wypompować płyn łzowy.
Rysunek 6. W zależności od względnej siły sił adhezji i kohezji, ciecz może unosić się (np. woda) lub opadać (np. rtęć) w szklanej rurce kapilarnej. Zakres wzrostu (lub spadku) jest wprost proporcjonalny do napięcia powierzchniowego cieczy i odwrotnie proporcjonalny do gęstości cieczy i promienia rurki.
Wysokość, do której ciecz będzie rosnąć w rurce kapilarnej jest określona przez kilka czynników, jak pokazano w poniższym równaniu:
W tym równaniu, h jest wysokością cieczy wewnątrz rurki kapilarnej w stosunku do powierzchni cieczy na zewnątrz rurki, T jest napięciem powierzchniowym cieczy, θ jest kątem kontaktu między cieczą a rurką, r jest promieniem rurki, ρ jest gęstością cieczy, a g jest przyspieszeniem spowodowanym grawitacją, 9.8 m/s2. Jeśli rurka jest wykonana z materiału, do którego cząsteczki cieczy są silnie przyciągane, rozłożą się one całkowicie na jej powierzchni, co odpowiada kątowi kontaktu 0°. Taka sytuacja ma miejsce w przypadku wody wznoszącej się w szklanej rurce.
Przykład 1
Wzrost kapilarny
W temperaturze 25 °C, jak wysoko wzniesie się woda w szklanej rurce kapilarnej o średnicy wewnętrznej 0,25 mm?
Dla wody, T = 71.99 mN/m i ρ = 1,0 g/cm3.
Rozwiązanie
Płyn wzniesie się na wysokość h daną wzorem: h=frac{2T=cos}theta }{rho g}
Newton jest zdefiniowany jako kg m/s2, a więc podane napięcie powierzchniowe jest równoważne 0,07199 kg/s2. Podana gęstość musi być przeliczona na jednostki, które odpowiednio się znoszą: ρ = 1000 kg/m3. Średnica rurki w metrach wynosi 0,00025 m, więc promień jest równy 0,000125 m. Dla szklanej rurki zanurzonej w wodzie kąt kontaktu wynosi θ = 0°, więc cosθ = 1. Przyspieszenie ziemskie jest równe g = 9,8 m/s2. 8{text{m/s}^{2}}}}}=0,12\text{m}=
Check Your Learning
Woda wznosi się w szklanej kapilarze na wysokość 8,4 cm. Jaka jest średnica kapilary?
Biomedyczne zastosowania działania kapilarnego
Rysunek 7. Krew jest pobierana do analizy medycznej poprzez działanie kapilarne, które powoduje wciągnięcie krwi do szklanej probówki o małej średnicy. (kredyt: modyfikacja pracy Centers for Disease Control and Prevention)
Wiele testów medycznych wymaga pobrania niewielkiej ilości krwi, na przykład w celu określenia ilości glukozy u osoby chorej na cukrzycę lub poziomu hematokrytu u sportowca. Procedura ta może być łatwo wykonana dzięki działaniu kapilarnemu, czyli zdolności cieczy do przepływu w górę małej rurki wbrew sile grawitacji, jak pokazano na rycinie 7. Po nakłuciu palca powstaje kropla krwi, która trzyma się razem dzięki napięciu powierzchniowemu – niezrównoważonemu przyciąganiu międzycząsteczkowemu na powierzchni kropli. Następnie, gdy otwarty koniec szklanej rurki o wąskiej średnicy dotyka kropli krwi, siły adhezji pomiędzy cząsteczkami krwi i cząsteczkami na powierzchni szkła ciągną krew w górę rurki. To, jak daleko krew podąża w górę rurki, zależy od jej średnicy (oraz od rodzaju płynu). Mała probówka ma stosunkowo dużą powierzchnię dla danej objętości krwi, co skutkuje większymi (względnymi) siłami przyciągania, pozwalającymi na wciągnięcie krwi dalej w górę probówki. Sam płyn jest utrzymywany razem przez swoje własne siły spójności. Kiedy waga płynu w probówce generuje siłę w dół równą sile w górę związanej z działaniem kapilarnym, płyn zatrzymuje się rising.
Kluczowe pojęcia i podsumowanie
Siły międzycząsteczkowe między cząsteczkami w stanie ciekłym różnią się w zależności od ich tożsamości chemicznej i skutkują odpowiednimi zmianami w różnych właściwościach fizycznych. Siły spójności pomiędzy podobnymi cząsteczkami są odpowiedzialne za lepkość cieczy (opór przy płynięciu) i napięcie powierzchniowe (elastyczność powierzchni cieczy). Siły adhezji pomiędzy molekułami cieczy i różnymi molekułami tworzącymi powierzchnię w kontakcie z cieczą są odpowiedzialne za zjawiska takie jak zwilżanie powierzchni i podciąganie kapilarne.
Kluczowe równania
- h= h=frac{2Tcos}theta }{rho g}
Chemia Ćwiczenia na koniec rozdziału
- Przedstawione probówki zawierają równe ilości podanych olejów silnikowych. Identyczne metalowe kule zostały upuszczone w tym samym czasie do każdej z rurek, a chwilę później kule spadły na wysokość wskazaną na rysunku.
Uszereguj oleje silnikowe w kolejności rosnącej lepkości i uzasadnij swoją argumentację:
- Pomimo że stal jest gęstsza od wody, stalowa igła lub spinacz do papieru umieszczone ostrożnie wzdłużnie na powierzchni wody stojącej mogą unosić się na wodzie. Wyjaśnij na poziomie molekularnym, jak to jest możliwe:
- Wartości napięcia powierzchniowego i lepkości dla eteru dietylowego, acetonu, etanolu i glikolu etylenowego są pokazane tutaj.
- Wyjaśnij ich różnice w lepkości pod względem wielkości i kształtu ich cząsteczek oraz ich IMF.
- Wyjaśnij ich różnice w napięciu powierzchniowym pod względem wielkości i kształtu ich cząsteczek oraz ich IMF.
- Może słyszałeś, jak ktoś użył figury mowy „wolniej niż melasa w zimie”, aby opisać proces, który zachodzi powoli. Wyjaśnij, dlaczego jest to trafny idiom, używając pojęć wielkości i kształtu cząsteczek, interakcji molekularnych oraz efektu zmiany temperatury.
- Często zaleca się, aby pozwolić silnikowi samochodu pracować na biegu jałowym w celu rozgrzania się przed jazdą, zwłaszcza w mroźne zimowe dni. Chociaż korzyści z przedłużonego biegu jałowego jest wątpliwe, to z pewnością prawdą jest, że ciepły silnik jest bardziej wydajny niż zimny. Wyjaśnij przyczynę tego stanu rzeczy.
- Napięcie powierzchniowe i lepkość wody w kilku różnych temperaturach są podane w tej tabeli.
Woda Napięcie powierzchniowe (mN/m) Wiskość (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 - Wraz ze wzrostem temperatury, co dzieje się z napięciem powierzchniowym wody? Wyjaśnij dlaczego tak się dzieje, w kontekście oddziaływań molekularnych i wpływu zmieniającej się temperatury.
- As temperature increases, what happens to the viscosity of water? Wyjaśnij dlaczego tak się dzieje, w kontekście oddziaływań molekularnych i efektu zmiany temperatury.
- W temperaturze 25 °C, jak wysoko uniesie się woda w szklanej rurce kapilarnej o średnicy wewnętrznej 0,63 mm? W celu uzyskania wymaganych informacji odwołaj się do przykładu 10.4.
- Woda wznosi się w szklanej rurce kapilarnej na wysokość 17 cm. Jaka jest średnica kapilary?
Wybrane odpowiedzi
2. Cząsteczki wody mają silne międzycząsteczkowe siły wiązania wodorowego. Cząsteczki wody są więc silnie przyciągane do siebie i wykazują stosunkowo duże napięcie powierzchniowe, tworząc rodzaj „skóry” na jej powierzchni. Ta skóra może wspierać błąd lub spinacz, jeśli delikatnie umieścić na water.
4. temperatura ma wpływ na siły międzycząsteczkowe: im wyższa temperatura, tym większe energie kinetyczne cząsteczek i większy zakres, do którego ich siły międzycząsteczkowe są pokonane, a więc bardziej płynne (mniej lepki) cieczy; im niższa temperatura, tym mniej sił międzycząsteczkowych są pokonane, a więc mniej lepki cieczy.
6. a) W miarę jak woda osiąga wyższe temperatury, zwiększone energie kinetyczne jej cząsteczek są bardziej skuteczne w pokonywaniu wiązań wodorowych, a więc jej napięcie powierzchniowe maleje. Napięcie powierzchniowe i siły międzycząsteczkowe są ze sobą bezpośrednio związane.
(b) Obserwujemy tę samą tendencję w lepkości, co w napięciu powierzchniowym, i z tego samego powodu.
8. Tym razem rozwiążemy dla r, gdyż dane jest nam 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 razy {10}^{-5} tekst{m} end{array}
Słowniczek
siła przylegania
siła przyciągania między cząsteczkami o różnej tożsamości chemicznej
działanie kapilarne
przepływ cieczy wewnątrz porowatego materiału ze względu na przyciąganie cząsteczek cieczy do powierzchni materiału i do innych cząsteczek cieczy
siła spójności
siła przyciągania między identycznymi cząsteczkami
napięcie powierzchniowe
energia potrzebna do zwiększenia powierzchni, lub długości powierzchni cieczy o daną wartość
lepkość
miara oporu cieczy wobec przepływu
.