التوتر السطحي والعمل الشعري واللزوجة

التوتر السطحي

تعد IMFs المختلفة بين الجزيئات المتماثلة للمادة أمثلة على القوى المتماسكة. الجزيئات داخل السائل محاطة بجزيئات أخرى وتنجذب بالتساوي في جميع الاتجاهات بواسطة قوى التماسك داخل السائل. ومع ذلك ، فإن الجزيئات الموجودة على سطح السائل لا تنجذب إلا بحوالي نصف عدد الجزيئات. بسبب عوامل الجذب الجزيئية غير المتوازنة على جزيئات السطح ، تتقلص السوائل لتشكل شكلًا يقلل من عدد الجزيئات على السطح— أي الشكل مع الحد الأدنى من مساحة السطح. تميل قطرة صغيرة من السائل إلى اتخاذ شكل كروي. هذا لأن نسبة مساحة السطح إلى الحجم عند الحد الأدنى في الكرة. تتأثر القطرات الأكبر بشكل كبير بالجاذبية ومقاومة الهواء والتفاعلات السطحية وما إلى ذلك ، ونتيجة لذلك ، تكون أقل كروية.

يُعرّف التوتر السطحي بأنه الطاقة المطلوبة لزيادة مساحة سطح سائل أو القوة المطلوبة لزيادة طول سطح سائل بمقدار معين. هذه الخاصية ناتجة عن قوى التماسك بين الجزيئات على سطح السائل ، وتتسبب في تصرف سطح السائل كغشاء مطاطي مشدود. من بين السوائل الشائعة ، يُظهر الماء توتراً سطحياً مرتفعًا بشكل واضح بسبب الترابط الهيدروجيني القوي بين جزيئاته. نتيجة لهذا التوتر السطحي العالي ، فإن سطح الماء يمثل جلدًا” قاسياً “نسبياً يمكن أن تصمد أمام قوة كبيرة دون أن تنكسر. سوف تطفو إبرة فولاذية موضوعة بعناية على الماء. بعض الحشرات ، على الرغم من أنها أكثر كثافة من الماء ، تتحرك على سطحها لأنها مدعومة بالتوتر السطحي.

القوى اللاصقة والمتماسكة

تسمى عوامل الجذب بين جزيئين مختلفين بالقوى اللاصقة. ضع في اعتبارك ما يحدث عندما يتلامس الماء مع بعض الأسطح. إذا كانت قوى الالتصاق بين جزيئات الماء وجزيئات السطح ضعيفة مقارنة بقوى التماسك بين جزيئات الماء ، فإن الماء لا يقوم بـ “ترطيب” السطح. على سبيل المثال، لا يبلل الماء الأسطح المشمعة أو العديد من المواد البلاستيكية مثل البولي إيثيلين. تتشكل قطرات الماء على هذه الأسطح لأن قوى التماسك داخل القطرات أكبر من القوى اللاصقة بين الماء والبلاستيك. ينتشر الماء على الزجاج لأن قوة الالتصاق بين الماء والزجاج أكبر من قوى التماسك داخل الماء. عندما يتم حصر الماء في أنبوب زجاجي ، يكون للغضروف المفصلي (سطحه) شكل مقعر لأن الماء يبلل الزجاج ويزحف إلى جانب الأنبوب. من ناحية أخرى، فإن قوى التماسك بين ذرات الزئبق أكبر بكثير من القوى اللاصقة بين الزئبق والزجاج. لذلك ، لا يبلل الزئبق الزجاج ، ويشكل هلالة محدبة عند حصره في أنبوب لأن القوى المتماسكة داخل الزئبق تميل إلى سحبه إلى قطرة.

العمل الشعري

إذا تم وضع أحد طرفي المنشفة الورقية في نبيذ مسكوب ، فإن السائل يملأ المنشفة الورقية. تحدث عملية مماثلة في منشفة من القماش عند استخدامها لتجف بعد الاستحمام. هذه أمثلة على الفعل الشعري— عندما يتدفق السائل داخل مادة مسامية بسبب انجذاب جزيئات السائل إلى سطح المادة وإلى الجزيئات السائلة الأخرى. قد تكون قوى الالتصاق بين السائل والمادة المسامية ، جنبًا إلى جنب مع قوى التماسك داخل السائل ، قوية بما يكفي لتحريك السائل لأعلى ضد الجاذبية.

تمتص المناشف السوائل مثل الماء لأن ألياف المنشفة مصنوعة من جزيئات تنجذب إلى جزيئات الماء. تصنع معظم مناشف القماش من القطن ، وتصنع المناشف الورقية عمومًا من لب الورق. كلاهما يتكون من جزيئات طويلة من السليلوز تحتوي على العديد من مجموعات −OH. تنجذب جزيئات الماء إلى مجموعات −OH وتشكل روابط هيدروجينية معها ، مما يؤدي إلى جذب جزيئات H2O إلى جزيئات السليلوز. تنجذب جزيئات الماء أيضًا إلى بعضها البعض ، لذلك يتم سحب كميات كبيرة من الماء فوق ألياف السليلوز.

يمكن أن يحدث التأثير الشعري أيضًا عند غمر أحد طرفي الأنبوب ذي القطر الصغير في سائل. إذا كانت جزيئات السائل تنجذب بقوة إلى جزيئات الأنبوب ، فإن السائل يزحف إلى داخل الأنبوب حتى يتوازن وزن السائل والقوى اللاصقة. كلما كان قطر الأنبوب أصغر، زاد ارتفاع السائل.

< اللزوجة

عندما تصب كوبًا من الماء أو تملأ سيارة بالبنزين، يتدفق الماء والبنزين بحرية. ولكن عندما تصب شراباً على الفطائر أو تضيف الزيت إلى محرك السيارة، فإن الشراب وزيت المحرك لا يتدفقان بسهولة. لزوجة السائل هي مقياس لمقاومته للتدفق. الماء والبنزين والسوائل الأخرى التي تتدفق بحرية لها لزوجة منخفضة. العسل والشراب وزيت المحرك والسوائل الأخرى التي لا تتدفق بحرية لها لزوجة أعلى. يمكننا قياس اللزوجة عن طريق قياس المعدل الذي تسقط به الكرة المعدنية عبر سائل (تسقط الكرة ببطء أكثر خلال سائل أكثر لزوجة) أو عن طريق قياس المعدل الذي يتدفق به السائل عبر أنبوب ضيق (تتدفق السوائل الأكثر لزوجة بشكل أبطأ ).

تحدد IMFs بين جزيئات السائل وحجم وشكل الجزيئات ودرجة الحرارة مدى سهولة تدفق السائل. وكلما كان الجزيء أكثر تعقيدًا من الناحية الهيكلية ، زادت قوة صناديق النقد الدولية بينهما وصعوبة تجاوز بعضها البعض. السوائل التي تحتوي على هذه الجزيئات تكون أكثر لزوجة. مع ارتفاع درجة الحرارة ، تتحرك الجزيئات بسرعة أكبر وتكون طاقاتها الحركية أكثر قدرة على التغلب على القوى التي تربطها ببعضها البعض ؛ وهكذا تقل لزوجة السائل.

هذا النص مقتبس من Openstax, Chemistry 2e, Section 10.2: Properties of Liquids.