Chimie

Când turnați un pahar cu apă sau când umpleți o mașină cu benzină, observați că apa și benzina curg liber. Dar atunci când turnați sirop pe clătite sau adăugați ulei la motorul unei mașini, observați că siropul și uleiul de motor nu curg la fel de ușor. Vâscozitatea unui lichid este o măsură a rezistenței sale la curgere. Apa, benzina și alte lichide care curg liber au o vâscozitate scăzută. Mierea, siropul, uleiul de motor și alte lichide care nu curg liber, precum cele prezentate în figura 1, au vâscozități mai mari. Putem măsura vâscozitatea prin măsurarea vitezei cu care o bilă metalică cade printr-un lichid (bila cade mai încet printr-un lichid mai vâscos) sau prin măsurarea vitezei cu care un lichid curge printr-un tub îngust (lichidele mai vâscoase curg mai încet).

Figura 1. (a) Mierea și (b) uleiul de motor sunt exemple de lichide cu vâscozități ridicate; ele curg încet. (credit a: modificare a lucrării lui Scott Bauer; credit b: modificare a lucrării lui David Nagy)

Împrejurările dintre moleculele unui lichid, dimensiunea și forma moleculelor și temperatura determină cât de ușor curge un lichid. După cum se arată în tabelul 1, cu cât moleculele unui lichid sunt mai complexe din punct de vedere structural și cu cât FMI-urile dintre ele sunt mai puternice, cu atât este mai dificil pentru ele să se deplaseze unele pe lângă altele și cu atât mai mare este vâscozitatea lichidului. Pe măsură ce temperatura crește, moleculele se mișcă mai rapid și energiile lor cinetice sunt mai capabile să învingă forțele care le țin împreună; astfel, vâscozitatea lichidului scade.

Diferitele FMI-uri dintre moleculele identice ale unei substanțe sunt exemple de forțe de coeziune. Moleculele dintr-un lichid sunt înconjurate de alte molecule și sunt atrase în mod egal în toate direcțiile de forțele de coeziune din cadrul lichidului. Cu toate acestea, moleculele de pe suprafața unui lichid sunt atrase doar de aproximativ jumătate din numărul de molecule. Din cauza atracțiilor moleculare neechilibrate asupra moleculelor de la suprafață, lichidele se contractă pentru a forma o formă care minimizează numărul de molecule de pe suprafață – adică forma cu suprafața minimă. O picătură mică de lichid tinde să ia o formă sferică, așa cum se arată în figura 2, deoarece într-o sferă, raportul dintre suprafață și volum este la minim. Picăturile mai mari sunt afectate mai mult de gravitație, de rezistența aerului, de interacțiunile de suprafață și așa mai departe și, ca urmare, sunt mai puțin sferice.

Figura 2. Forțele de atracție au ca rezultat o picătură de apă sferică care minimizează suprafața; forțele de coeziune mențin sfera împreună; forțele adezive mențin picătura atașată de pânză. (credit: modificare a lucrării realizate de „OliBac”/Flickr)

Tensiunea superficială este definită ca fiind energia necesară pentru a crește suprafața unui lichid sau forța necesară pentru a crește lungimea suprafeței unui lichid cu o anumită cantitate. Această proprietate rezultă din forțele de coeziune dintre moleculele de la suprafața unui lichid și face ca suprafața unui lichid să se comporte ca o membrană de cauciuc întinsă. Tensiunile superficiale ale mai multor lichide sunt prezentate în tabelul 2. Printre lichidele obișnuite, apa prezintă o tensiune superficială net superioară datorită legăturii puternice de hidrogen dintre moleculele sale. Ca urmare a acestei tensiuni superficiale ridicate, suprafața apei reprezintă o „piele relativ rezistentă” care poate suporta o forță considerabilă fără să se rupă. Un ac de oțel așezat cu grijă pe apă va pluti. Unele insecte, precum cea prezentată în figura 3, deși sunt mai dense decât apa, se deplasează pe suprafața acesteia deoarece sunt susținute de tensiunea superficială.

Figura 3. Tensiunea superficială (dreapta) împiedică această insectă, o „water strider”, să se scufunde în apă (stânga).

Forțele FMI de atracție între două molecule diferite se numesc forțe adezive. Luați în considerare ce se întâmplă atunci când apa intră în contact cu o anumită suprafață. Dacă forțele adezive dintre moleculele de apă și moleculele suprafeței sunt slabe în comparație cu forțele de coeziune dintre moleculele de apă, apa nu „udă” suprafața. De exemplu, apa nu udă suprafețele cerate sau multe materiale plastice, cum ar fi polietilena. Apa formează picături pe aceste suprafețe deoarece forțele de coeziune din interiorul picăturilor sunt mai mari decât forțele adezive dintre apă și plastic. Apa se împrăștie pe sticlă deoarece forța adezivă dintre apă și sticlă este mai mare decât forțele de coeziune din interiorul apei. Atunci când apa este închisă într-un tub de sticlă, meniscul (suprafața) acesteia are o formă concavă deoarece apa udă sticla și se strecoară pe partea laterală a tubului. Pe de altă parte, forțele de coeziune dintre atomii de mercur sunt mult mai mari decât forțele adezive dintre mercur și sticlă. Prin urmare, mercurul nu udă sticla și formează un menisc convex atunci când este confinat într-un tub, deoarece forțele de coeziune din interiorul mercurului tind să îl atragă într-o picătură (figura 4).

Figura 4. Diferențele în intensitățile relative ale forțelor de coeziune și de aderență au ca rezultat forme diferite ale meniscului pentru mercur (stânga) și apă (dreapta) în tuburi de sticlă. (credit: Mark Ott)

Dacă plasați un capăt al unui prosop de hârtie în vinul vărsat, așa cum se arată în figura 5, lichidul urcă pe prosopul de hârtie. Un proces similar are loc într-un prosop de pânză atunci când îl folosiți pentru a vă usca după un duș. Acestea sunt exemple de acțiune capilară – atunci când un lichid curge în interiorul unui material poros datorită atracției pe care o exercită moleculele de lichid asupra suprafeței materialului și asupra altor molecule de lichid. Forțele adezive dintre lichid și materialul poros, combinate cu forțele de coeziune din interiorul lichidului, pot fi suficient de puternice pentru a deplasa lichidul în sus împotriva gravitației.

Figura 5. Vinul absoarbe un prosop de hârtie (stânga) din cauza atracțiilor puternice ale moleculelor de apă (și etanol) față de grupele -OH de pe fibrele de celuloză ale prosopului și a atracțiilor puternice ale moleculelor de apă față de alte molecule de apă (și etanol) (dreapta). (credit foto: modificare a lucrării lui Mark Blaser)

Servețelele absorb lichide precum apa, deoarece fibrele unui prosop sunt alcătuite din molecule care sunt atrase de moleculele de apă. Majoritatea prosoapelor de pânză sunt fabricate din bumbac, iar prosoapele de hârtie sunt, în general, fabricate din pastă de hârtie. Ambele sunt formate din molecule lungi de celuloză care conțin multe grupe -OH. Moleculele de apă sunt atrase de aceste grupări -OH și formează legături de hidrogen cu ele, ceea ce atrage moleculele de H2O în moleculele de celuloză. Moleculele de apă sunt, de asemenea, atrase unele de altele, astfel încât cantități mari de apă sunt atrase în sus pe fibrele de celuloză.

Acțiunea capilară poate apărea, de asemenea, atunci când un capăt al unui tub cu diametru mic este scufundat într-un lichid, așa cum este ilustrat în figura 6. Dacă moleculele lichidului sunt puternic atrase de moleculele tubului, lichidul se strecoară în interiorul tubului până când greutatea lichidului și forțele de aderență sunt în echilibru. Cu cât diametrul tubului este mai mic, cu atât lichidul urcă mai sus. Apa și nutrienții dizolvați sunt aduși din sol prin rădăcini și în interiorul plantei, în parte prin acțiunea capilară care are loc în celulele vegetale numite xilem. Acțiunea capilară stă la baza cromatografiei în strat subțire, o tehnică de laborator utilizată în mod obișnuit pentru a separa cantități mici de amestecuri. Depindeți de un aport constant de lacrimi pentru a vă menține ochii lubrifiați și de acțiunea capilară pentru a pompa lichidul lacrimal.

Figura 6. În funcție de intensitatea relativă a forțelor de aderență și de coeziune, un lichid poate să urce (cum ar fi apa) sau să coboare (cum ar fi mercurul) într-un tub capilar din sticlă. Amploarea ascensiunii (sau căderii) este direct proporțională cu tensiunea superficială a lichidului și invers proporțională cu densitatea lichidului și cu raza tubului.

Înălțimea la care un lichid se va ridica într-un tub capilar este determinată de mai mulți factori, așa cum se arată în următoarea ecuație:

În această ecuație, h este înălțimea lichidului din interiorul tubului capilar în raport cu suprafața lichidului din afara tubului, T este tensiunea superficială a lichidului, θ este unghiul de contact dintre lichid și tub, r este raza tubului, ρ este densitatea lichidului, iar g este accelerația datorată gravitației, 9.8 m/s2. Atunci când tubul este confecționat dintr-un material de care moleculele de lichid sunt puternic atrase, acestea se vor împrăștia complet pe suprafață, ceea ce corespunde unui unghi de contact de 0°. Aceasta este situația apei care urcă într-un tub de sticlă.

Aplicații biomedicale ale acțiunii capilare

Figura 7. Sângele este colectat pentru analize medicale prin acțiune capilară, care atrage sângele într-un tub de sticlă cu diametru mic. (credit: modificare după o lucrare a Centrelor pentru Controlul și Prevenirea Bolilor)

Multe teste medicale necesită prelevarea unei cantități mici de sânge, de exemplu pentru a determina cantitatea de glucoză la o persoană cu diabet sau nivelul hematocritului la un sportiv. Această procedură se poate realiza cu ușurință datorită acțiunii capilare, capacitatea unui lichid de a curge pe un mic tub împotriva gravitației, așa cum se arată în figura 7. Atunci când vă înțepați degetul, se formează o picătură de sânge care se menține unită datorită tensiunii superficiale – atracțiile intermoleculare dezechilibrate de la suprafața picăturii. Apoi, atunci când capătul deschis al unui tub de sticlă cu diametru îngust atinge picătura de sânge, forțele adezive dintre moleculele din sânge și cele de la suprafața sticlei atrag sângele în sus în tub. Cât de departe urcă sângele pe tub depinde de diametrul tubului (și de tipul de lichid). Un tub mic are o suprafață relativ mare pentru un volum dat de sânge, ceea ce duce la forțe de atracție (relative) mai mari, permițând ca sângele să fie tras mai departe în sus pe tub. Lichidul în sine este ținut împreună de propriile forțe de coeziune. Atunci când greutatea lichidului din tub generează o forță descendentă egală cu forța ascendentă asociată cu acțiunea capilară, lichidul încetează să mai urce.

.