Kemi

När du häller upp ett glas med vatten, eller fyller en bil med bensin, observerar du att vatten och bensin flyter fritt. Men när du häller sirap på pannkakor eller fyller en bilmotor med olja, noterar du att sirap och motorolja inte flyter lika lätt. Viskositeten hos en vätska är ett mått på dess motstånd mot flödet. Vatten, bensin och andra vätskor som flyter fritt har en låg viskositet. Honung, sirap, motorolja och andra vätskor som inte flyter fritt, som de som visas i figur 1, har högre viskositet. Vi kan mäta viskositeten genom att mäta hastigheten med vilken en metallkula faller genom en vätska (kulan faller långsammare genom en mer viskös vätska) eller genom att mäta hastigheten med vilken en vätska flyter genom ett smalt rör (mer viskösa vätskor flyter långsammare).

Figur 1. (a) Honung och (b) motorolja är exempel på vätskor med hög viskositet; de flyter långsamt. (kredit a: ändring av arbete av Scott Bauer; kredit b: ändring av arbete av David Nagy)

If:s mellan molekylerna i en vätska, molekylernas storlek och form samt temperaturen avgör hur lätt en vätska flyter. Som framgår av tabell 1 är det svårare för molekylerna i en vätska att röra sig förbi varandra, och ju mer strukturellt komplexa molekylerna i en vätska är och ju starkare IMF:erna mellan dem är, desto svårare är det för dem att röra sig förbi varandra och desto större är vätskans viskositet. När temperaturen ökar rör sig molekylerna snabbare och deras kinetiska energi kan bättre övervinna de krafter som håller dem samman, vilket innebär att vätskans viskositet minskar.

De olika IMF:erna mellan identiska molekyler i ett ämne är exempel på kohesiva krafter. Molekylerna i en vätska är omgivna av andra molekyler och attraheras lika mycket i alla riktningar av de sammanhållande krafterna i vätskan. Molekylerna på ytan av en vätska attraheras dock endast av ungefär hälften så många molekyler. På grund av de obalanserade molekylära attraktionskrafterna på ytmolekylerna drar vätskor ihop sig för att bilda en form som minimerar antalet molekyler på ytan – det vill säga en form med minsta möjliga yta. En liten droppe vätska tenderar att anta en sfärisk form, som visas i figur 2, eftersom i en sfär är förhållandet mellan yta och volym minimalt. Större droppar påverkas i högre grad av gravitation, luftmotstånd, ytinteraktioner och så vidare, och blir därför mindre sfäriska.

Figur 2. Attraktiva krafter resulterar i en sfärisk vattendroppe som minimerar ytan; sammanhållande krafter håller ihop sfären; adhesiva krafter håller droppen fäst vid nätet. (kredit: modifiering av arbete av ”OliBac”/Flickr)

Ytesspänning definieras som den energi som krävs för att öka en vätskas yta, eller den kraft som krävs för att öka längden på en vätskeyta med en given mängd. Denna egenskap är ett resultat av de sammanhållande krafterna mellan molekylerna på en vätskas yta, och den gör att vätskans yta beter sig som ett sträckt gummimembran. Ytspänningar för flera vätskor presenteras i tabell 2. Bland vanliga vätskor uppvisar vatten en tydligt hög ytspänning på grund av den starka vätebindningen mellan dess molekyler. Som ett resultat av denna höga ytspänning utgör vattnets yta en relativt ”hård hud” som kan motstå avsevärda krafter utan att gå sönder. En stålnål som försiktigt placeras på vatten kommer att flyta. Vissa insekter, som den som visas i figur 3, rör sig, trots att de är tätare än vatten, på dess yta eftersom de stöds av ytspänningen.

Figur 3. Ytspänningen (till höger) hindrar denna insekt, en ”water strider”, från att sjunka ner i vattnet (till vänster).

De IMF som drar till sig attraktionskrafter mellan två olika molekyler kallas adhesiva krafter. Tänk på vad som händer när vatten kommer i kontakt med någon yta. Om vidhäftningskrafterna mellan vattenmolekylerna och ytans molekyler är svaga jämfört med kohesionskrafterna mellan vattenmolekylerna, ”blöter” vattnet inte ytan. Vatten blöter t.ex. inte vaxade ytor eller många plaster, t.ex. polyeten. Vatten bildar droppar på dessa ytor eftersom de sammanhållande krafterna inom dropparna är större än de adhesiva krafterna mellan vattnet och plasten. Vatten sprider sig på glas eftersom vidhäftningskraften mellan vatten och glas är större än de sammanhållande krafterna inom vattnet. När vatten innesluts i ett glasrör har dess menisk (yta) en konkav form eftersom vattnet fuktar glaset och kryper upp längs rörets sida. Å andra sidan är kohesionskrafterna mellan kvicksilveratomer mycket större än vidhäftningskrafterna mellan kvicksilver och glas. Kvicksilver blöter därför inte glas, och det bildar en konvex menisk när det är instängt i ett rör eftersom de sammanhållande krafterna inom kvicksilvret tenderar att dra det till en droppe (figur 4).

Figur 4. Skillnader i de relativa styrkorna hos sammanhållande och adhesiva krafter resulterar i olika meniskformer för kvicksilver (vänster) och vatten (höger) i glasrör. (kredit: Mark Ott)

Om du placerar ena änden av en pappershandduk i spillt vin, som visas i figur 5, så suger vätskan upp pappershandduken. En liknande process sker i en tyghandduk när du använder den för att torka av dig efter en dusch. Detta är exempel på kapillär verkan – när en vätska flödar i ett poröst material på grund av att vätskemolekylerna dras till materialets yta och till andra vätskemolekyler. De adhesiva krafterna mellan vätskan och det porösa materialet, i kombination med de sammanhållande krafterna inom vätskan, kan vara tillräckligt starka för att flytta vätskan uppåt mot gravitationen.

Figur 5. Vinet suger upp en pappershandduk (till vänster) på grund av vatten- (och etanol-) molekylers starka attraktion till -OH-grupperna på handdukens cellulosafibrer och vattenmolekylers starka attraktion till andra vatten- (och etanol-) molekyler (till höger). (kreditbild: modifiering av arbete av Mark Blaser)

Handdukar suger upp vätskor som vatten eftersom fibrerna i en handduk består av molekyler som attraheras av vattenmolekyler. De flesta tyghanddukar är gjorda av bomull, och pappershanddukar är i allmänhet gjorda av pappersmassa. Båda består av långa molekyler av cellulosa som innehåller många -OH-grupper. Vattenmolekyler dras till dessa -OH-grupper och bildar vätebindningar med dem, vilket drar H2O-molekylerna uppåt i cellulosamolekylerna. Vattenmolekylerna dras också till varandra, så stora mängder vatten dras upp i cellulosafibrerna.

Kapillär verkan kan också uppstå när ena änden av ett rör med liten diameter är nedsänkt i en vätska, vilket illustreras i figur 6. Om vätskemolekylerna attraheras starkt av rörmolekylerna kryper vätskan upp på insidan av röret tills vätskevikten och vidhäftningskrafterna är i balans. Ju mindre rörets diameter är, desto högre stiger vätskan. Det är delvis genom kapillärverkan som sker i växtceller som kallas xylem som vatten och lösta näringsämnen förs från jorden upp genom rötterna och in i en växt. Kapillärverkan ligger till grund för tunnskiktskromatografi, en laboratorieteknik som ofta används för att separera små mängder av blandningar. Du är beroende av ett konstant utbud av tårar för att hålla ögonen smorda och av kapillärverkan för att pumpa bort tårvätska.

Figur 6. Beroende på de relativa styrkorna hos adhesiva och kohesiva krafter kan en vätska stiga (t.ex. vatten) eller sjunka (t.ex. kvicksilver) i ett kapillärrör av glas. Hur mycket vätskan stiger (eller faller) är direkt proportionell mot vätskans ytspänning och omvänt proportionell mot vätskans densitet och rörets radie.

Höjden till vilken en vätska stiger i ett kapillärrör bestäms av flera faktorer enligt följande ekvation:

I denna ekvation är h vätskans höjd i kapillärröret i förhållande till vätskans yta utanför röret, T är vätskans ytspänning, θ är kontaktvinkeln mellan vätskan och röret, r är rörets radie, ρ är vätskans densitet och g är tyngdkraften, 9.8 m/s2. När röret är tillverkat av ett material till vilket vätskemolekylerna attraheras starkt kommer de att sprida sig helt och hållet på ytan, vilket motsvarar en kontaktvinkel på 0°. Detta är situationen för vatten som stiger i ett glasrör.

Biomedicinska tillämpningar av kapillärverkan

Figur 7. Blod samlas in för medicinsk analys genom kapillär verkan, som drar blodet in i ett glasrör med liten diameter. (kredit: modifiering av arbete av Centers for Disease Control and Prevention)

Flera medicinska tester kräver att man tar en liten mängd blod, till exempel för att bestämma mängden glukos hos en person med diabetes eller hematokritnivån hos en idrottsman. Detta förfarande kan lätt utföras på grund av kapillär verkan, dvs. en vätskas förmåga att strömma upp i ett litet rör mot gravitationen, vilket visas i figur 7. När du sticker dig i fingret bildas en bloddroppe som håller ihop på grund av ytspänningen – de obalanserade intermolekylära attraktionskrafterna på droppens yta. När den öppna änden av ett glasrör med smal diameter rör vid bloddroppen drar de adhesiva krafterna mellan molekylerna i blodet och molekylerna på glasytan blodet uppåt i röret. Hur långt blodet går upp i röret beror på rörets diameter (och typen av vätska). Ett litet rör har en relativt stor yta för en given blodvolym, vilket resulterar i större (relativa) attraktionskrafter, vilket gör att blodet dras längre upp i röret. Själva vätskan hålls samman av sina egna sammanhållande krafter. När vätskans vikt i röret genererar en nedåtriktad kraft som är lika stor som den uppåtriktade kraft som är förknippad med kapillärverkan, slutar vätskan att stiga.

.