Budowa i właściwości cieczy. Zjawisko napięcia powierzchniowego
Woda jest cieczą, która towarzyszy nam na co dzień. Pokrywa ponad 70% powierzchni Ziemi i stanowi około 70% masy naszych ciał. Czy dlatego, że jest jedną z najbardziej rozpowszechnionych substancji we Wszechświecie, znasz wszystkie jej właściwości? Dlaczego nartnik może ślizgać się po powierzchni wody i nie tonie? Pod jakim względem inne ciecze są do niej podobne?
stwierdzić, że materia może znajdować się w jednym z trzech stanów skupienia: gazowym, ciekłym lub stałym;
wykazać, że ciecze, ciała stałe i gazy mają różną budowę cząsteczkową;
wykazać, że ciecze zachowują swoją objętość i przybierają kształt naczynia, w którym się znajdują.
wymieniać właściwości fizyczne cieczy;
co to jest powierzchnia swobodna cieczy;
opisywać właściwości oddziaływań międzycząsteczkowych w cieczach;
co to są siły spójności;
wyjaśniać i opisywać zjawisko przylegania;
wyjaśniać powstawanie menisków wklęsłego i wypukłego;
opisywać rolę i znaczenie napięcia powierzchniowego w cieczach.
1. Budowa wewnętrzna cieczy
Ciecze mają pewne cechy gazów i ciał stałych. Z jednej strony cząsteczki cieczy pozostają w odległościach zbliżonych do wielkości charakterystycznych dla cząsteczek ciał stałych (czyli w odległościach nieco większych od średnicy tych cząsteczek), z drugiej strony mają możliwość przemieszczania się względem siebie (duża ruchliwość), co jest właściwością również gazów.
Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/DBX8eWzFp
Właściwość cieczy polegająca na tym, że nie zmieniają one objętości, choć przyjmują kształt naczynia, w którym się znajdują, świadczy o tym, że mają one znacznie więcej wspólnego z ciałami stałymi niż gazami .
Zapamiętajmy, że objętość cieczy nie zależy od kształtu naczynia, w którym ta ciecz się znajduje.
Kiedy obserwujemy powierzchnię jeziora, możemy zauważyć, że jest ona pozioma. Podobnie zachowuje się woda w szklance. Gdy przechylamy naczynie, to powierzchnia cieczy pozostaje nadal pozioma.
– powierzchnia samorzutnie utworzona przez ciecz na styku z innym ośrodkiem (próżnią, powietrzem, inną cieczą).
Powierzchnią swobodną są np. górna powierzchnia cieczy w naczyniu, powierzchnia kropli i strumień cieczy w powietrzu.
Kiedy patrzymy na zdjęcie naszej planety wykonane z kosmosu, to zauważamy, że powierzchnia oceanów się zakrzywia (podobnie jak powierzchnia całej Ziemi). Tymczasem powierzchnia wody w szklance jest płaska. Tak naprawdę w obu sytuacjach powierzchnia swobodna wody jest pozioma. Poziom oznacza płaszczyznę prostopadłą w każdym punkcie do siły grawitacji działającej na wodę w tym punkcie. Kiedy rozpatrujemy duże obszary (oceany), to w różnych ich punktach siły grawitacji działające do środka Ziemi (wzdłuż jej promieni) nie są równoległe. Dlatego powierzchnia oceanów obserwowana z kosmosu wydaje się zakrzywiona..
Powszechnie uważa się, że ciecze nie mają swojego kształtu. Twierdzimy tak, ponieważ ciecze przyjmują kształt naczynia, w którym się znajdują, a ich powierzchnia swobodna jest zawsze prostopadła do działającej siły grawitacji. Jednak w stanie nieważkości ciecz ma zawsze jeden kształt – jest to kształt kuli, a powierzchnia swobodna jest wówczas sferą.
Ciecze wraz ze wzrostem temperatury zwykle zwiększają swoją objętość. Wyjątek stanowi woda, której objętość maleje wraz ze wzrostem temperatury w przedziale od 0°C do 4°C. Powyżej temperatury 4°C objętość wody znów rośnie. Woda ma najmniejszą objętość w temperaturze 4°C (przy normalnym ciśnieniu).
1.1. Nieściśliwość cieczy
Ciecze bardzo trudno zmieniają objętość pod wpływem oddziaływania zewnętrznego. Odpowiadają za to silne oddziaływania międzycząsteczkowe, które podczas ściskania cieczy prowadzą do odpychania cząsteczek, a podczas rozprężania – do ich przyciągania.
Wykazać, że pod wpływem oddziaływania zewnętrznego ciecz nie zmienia swojej objętości.
strzykawka;
woda.
Napełnij strzykawkę wodą do połowy jej objętości.
Otwór wylotowy zatkaj palcem.
Spróbuj zmienić objętość cieczy znajdującej się w strzykawce wciskając tłok.
Jak widzisz, nie jesteś w stanie zmienić objętości wody w strzykawce.
Obserwacja ta ma charakter ogólny – dotyczy nie tylko wody, lecz także innych cieczy.
Ciecze są praktycznie nieściśliwe, tzn. ich objętość pod wpływem oddziaływania zewnętrznego nie ulega zmianie.
Nieściśliwość to właściwość cieczy, która znalazła zastosowanie w siłownikach hydraulicznych, maszynach budowlanych, a nawet zwykłych strzykawkach.
Zaznacz wszystkie poprawne odpowiedzi.
- Ciecze są nieściśliwe, ponieważ ich cząsteczki podczas ściskania odpychają się, a podczas rozprężania – przyciągają.
- Nie jesteśmy w stanie zmienić znacząco objętości cieczy, ponieważ cząsteczki w cieczach są blisko siebie.
- Nieściśliwość cieczy nie daje się praktycznie zastosować.
1.2. Cieplne i elektryczne przewodnictwo cieczy
– zjawisko fizyczne powodujące wyrównywanie się temperatury ciała w różnych jego miejscach, bez widocznych ruchów materii w jego wnętrzu.
Ciepło rozchodzi się w całej objętości materiału, dopóki temperatura nie przyjmie stałej wartości. Czy ciecze są dobrymi przewodnikami ciepła?
Gdy w piękny, słoneczny dzień kąpiesz się w jeziorze, czujesz, że górne warstwy wody są wyraźnie cieplejsze, natomiast głębiej woda pozostaje zimna. Dzieje się tak, ponieważ woda – podobnie jak większość cieczy – jest złym przewodnikiem ciepła. Słońce ogrzewa powierzchnię wody, natomiast temperatura w głębszych warstwach pozostaje niższa.
Przeprowadzić obserwację rozchodzenia się ciepła w wodzie.
szklana probówka – jak najdłuższa (15 cm), wąska i bez skali;
woda (może być z kranu);
palnik dający wąski płomień, najlepiej gazowy na propan‑butan;
statyw.
Napełnij probówkę wodą powyżej ¾ wysokości.
Zamocuj probówkę pionowo na statywie, ale tak, by można było ogrzewać jej górny koniec.
Za pomocą palnika ogrzewaj intensywnie górny koniec probówki (w pobliżu lustra wody).
W czasie ogrzewania sprawdzaj dłonią (palcem) temperaturę dna probówki.
Mimo że w górnym końcu probówki woda wrze, to jej dolny koniec nadal pozostaje chłodny. Dowodzi to, że woda jest złym przewodnikiem ciepła.
Większość cieczy to złe przewodniki ciepła.
Dzięki prostemu doświadczeniu można się przekonać, że niektóre ciecze przewodzą prąd elektryczny. Są to elektrolity, tzn. wodne roztwory niektórych zasad, kwasów lub soli. Mogą to być także metale w stanie ciekłym, takie jak rtęć lub cyna.
Film dostępny na portalu epodreczniki.pl
Najazd kamery na blat, na którym stoi zestaw pomiarowy: obwód szeregowy zmontowany z ogniwa (baterii) 4,5 V. Do zacisków ogniwa przyłączone są przewody z konektorami bananowymi za pomocą krokodylków, dalej oprawka z żarówką, (niezależnie od żaróweczki może być też miernik-amperomierz). Dwa końce (jeden od żarówki, drugi od bieguna baterii (biegunowość obojętna) są wolne i odizolowane na długości ok. 20 cm. Obok stoi szklanka lub zlewka. D. bierze odizolowane końce przewodów i wkłada je do (teraz pustej) zlewki/szklanki uważając by się nie stykały (są po przeciwnych stronach). By łatwo się zmieściły można je zwinąć w spiralkę. Demonstrator jeszcze raz wskazuje wskaźnikiem (klasycznym, nie laserowym) omawiane elementy i drogę ładunków. D. bierze odizolowane końce przewodów i zwiera je. Żarówka świeci świadcząc, że obwód jest zmontowany prawidłowo i prąd płynie. Demonstrator nalewa wody destylowanej do zlewki (ok. ¾, tak by wygodnie zanurzyć elektrody). Bierze odizolowane końce drutów i wkłada do wody możliwie całe. Uważa by druty się nie stykały. Żarówka nie świeci! Potrząsa lekko elektrodami. Żarówka nie świeci! D. wyjmuje elektrody ze zlewki. Wsypuje do zlewki z wodą 2-3 łyżeczki soli kuchennej (widać torebkę z napisem „sól kuchenna” lub podobnym). Miesza bagietką lub łyżeczką do rozpuszczenia. Demonstrator wkłada ponownie przewody. Żaróweczka świeci się. Jeśli przygasa, to potrząsa/porusza elektrodami. Demonstartor bierze czujnik konduktometryczny i zanurza w zlewce z zasoloną wodą (trzeba uprzednio poza kadrem włączyć przyrząd i ustawić odpowiedni zakres jeśli nie jest automatyczny).
– wodne roztwory niektórych zasad, kwasów lub soli, przewodzące prąd elektryczny.
Skonstruuj obwód podobny do tego przedstawionego na filmie. Zamiast krokodylków możesz użyć metalowych spinaczy biurowych. Jeśli masz taką możliwość, to przylutuj kabelki do żaróweczki i biegunów baterii. Zapewni to dobry kontakt elektryczny. Zamiast żarówki możesz użyć diody LED (świecącej), która najczęściej ma dwa wystające „wąsy”, łatwe do podłączenia. Sprawdź przewodnictwo elektryczne różnych cieczy dostępnych w domu, np. octu, wody z kranu, oleju, mleka.
Uzupełnij puste miejsce, wybierając brakujące elementy z listy.
elektretytami, elektrolitami, elektroletami
Wodne roztwory substancji, które przewodzą prąd elektryczny nazywamy ...........................
2. Oddziaływania międzycząsteczkowe
Dyfuzja oraz zjawisko, w którym ciecze po zmieszaniu się mają mniejszą objętość sumaryczną, są dowodami na cząsteczkową budowę materii. Wiemy również, że cząsteczki oddziaływują wzajemnie na siebie. Podczas ich zbliżania dominują siły odpychania, a podczas oddalania – siły przyciągania.
2.1. Oddziaływania międzycząsteczkowe w cieczach
Gdy wzajemnie oddziałują na siebie cząsteczki tej samej substancji, np. wody lub pleksiglasu, to siły działające między nimi nazywane są siłami spójności (kohezji).
Film dostępny na portalu epodreczniki.pl
Demonstrator pokazuje do kamery podziurawione dno. Demonstrator trzyma butelkę z której wycieka woda pojedynczymi stróżkami. Demonstrator „ściska” palcami strużki i tworzy się jedna większa struga.
Powtórz doświadczenie przedstawione na filmie. Jak wyjaśnisz formowanie się jednej większej strugi wody?
Spróbujmy to wyjaśnić. Rozważmy, co dzieje się z cząsteczką znajdującą się we wnętrzu cieczy.
Wpływ, jaki na cząsteczkę wywierają sąsiednie cząsteczki, jest niewielki, ponieważ siły spójności pochodzące z jej otoczenia niemal zupełnie się równoważą. Zupełnie inaczej jest, gdy cząsteczka znajduje się na powierzchni cieczy. Wtedy na cząsteczkę działają siły spójności pochodzące od cząsteczek znajdujących się we wnętrzu cieczy. Siły przyciagające ze strony cząsteczek cieczy sprawiają zatem, że siła wypadkowa działająca na tę cząsteczkę jest zwrócona do wnętrza cieczy, prostopadle do jej powierzchni. Warstewkę cieczy o tej wlaściwości nazywamy błoną powierzchniową.
2.2. Oddziaływania międzycząsteczkowe pomiędzy cieczami a ciałami stałymi
Gdy oddziałują na siebie cząsteczki różnych substancji, np. cząsteczki wody z cząsteczkami szkła, to występują między nimi siły nazywane siłami przylegania (adhezji). Siły przylegania odgrywają ważną rolę w życiu codziennym, gdyż dzięki nim możliwe jest malowanie, klejenie i używanie taśmy klejącej.
Film dostępny na portalu epodreczniki.pl
Film prezentujący przylegnie dwóch płyt CD jako demonstracja sił oddziaływań międzycząsteczkowych. Fizyk demonstruje płytki szklane, karty bankomatowe i kawałki płytek pleksi. Składa i rozdziela płytki. Nalewa kapkę wody ze zlewki na jedną płytkę. Prezentowana jest woda na jednej płytce trzymanej poziomo przez demonstratora. Przykrywa mokrą płytkę drugą, lekko dociska. Próbuje rozdzielić płytki ale te się nie dają.
Powtórz doświadczenie pokazane na filmie. Czy rezultaty są takie same?.
Siły spójności i przylegania pojawiają się jedynie wtedy, gdy odległości między cząsteczkami są niewielkie.
Uważny obserwator ptaków wodnych dostrzeże, że woda spływa z ich piór, które są pokryte cienką warstwą tłuszczu. Wynika to z tego, że siły spójności działające między cząsteczkami wody są większe od sił przylegania między tymi cząsteczkami a cząsteczkami tłuszczu znajdującego się na piórach.
Wzajemne relacje między siłami przylegania i spójności prowadzą do wielu interesujących zjawisk. Jednym z nich jest powstawanie menisku. Słowo „menisk” pochodzi od greckiego meniskos – półksiężyc – i doskonale opisuje powierzchnię swobodną cieczy znajdującej się w naczyniu, której kształt powstaje w wyniku działania sił spójności i przylegania.
Menisk najlepiej widoczny jest w naczyniach o niewielkim polu przekroju poprzecznego. Gdy siły spójności cząsteczek cieczy są mniejsze od sił przylegania, powierzchnia swobodna cieczy jest wklęsła (menisk wklęsły).
Gdy siły przylegania są mniejsze od sił spójności, powstaje menisk wypukły.
Jak widzisz, powierzchnia cieczy może mieć różne kształty. Jeżeli działają tylko siły spójności i przylegania, to powstaje powierzchnia nazywana powierzchnią swobodną cieczy.
Taka powierzchnia jest prostopadła do wypadkowej siły działającej na cząsteczki znajdujące się na powierzchni.
Przedyskutuj z kolegami i kolezankami z klasy, jakiego zjawiska moglibyście się spodziewać, gdyby wypadkowa siła działająca na cząsteczki znajdujące się na powierzchni nie była prostopadła do tej powierzchni.
Jak zachowywałyby się w takiej sytuacji cząsteczki cieczy na powierzchni?
Uzupełnij puste miejsca.
Gdy siły spójności cząsteczek cieczy są większe od sił przylegania między cząsteczkami cieczy a cząsteczkami naczynia, powstaje menisk ................. Gdy siły spójności cząsteczek cieczy są mniejsze od sił przylegania między cząsteczkami cieczy a cząsteczkami naczynia, powstaje menisk ...................
Dlaczego owad zwany nartnikiem wodnym nie tonie, kiedy porusza się po tafli wody? Przyjrzyj się, jak wygląda powierzchnia wody pod jego nóżkami. Czy rzeczywiście swoim wyglądem przypomina ona błonę? Czy jest to po prostu złudzenie?
Jak wiesz, woda często formuje się w krople. W stanie nieważkości mają one kształt kulisty. Dlaczego krople wody zawsze mają kształt mniej lub bardziej zbliżony do kuli?
Na cząsteczki znajdujące się na powierzchni kropli działają siły spójności zwrócone do środka kropli, prostopadle do jej powierzchni. Z tego powodu woda przyjmuje kształt kuli. Najmniejsza jest także jej powierzchnia zewnętrzna. Gdyby ta sama masa wody tworzyła np. sześcian, to jego powierzchnia byłaby większa niż powierzchnia kuli. Jak się okazuje, błona powierzchniowa cieczy „stara się” zajmować jak najmniejszą powierzchnię. Taka właściwość wyjaśnia wiele zjawisk związanych z powierzchnią cieczy, takich jak pływanie metalowej igły lub monety czy utrzymywanie się owadów na tafli wody.
Jeżeli igła naciśnie na powierzchnię cieczy, to nastąpi ugięcie tej powierzchni (siły spójności nie pozwolą na oddalenie się cząsteczek). Ugięta błona powierzchniowa będzie jednak miała tendencję do zmniejszenia swojej powierzchni i pojawią się siły styczne do tej powierzchni (siły napięcia powierzchniowego), usiłujące ją wyprostować. Efektem będzie siła wypadkowa działająca w górę, która to siła nie pozwoli igle zatonąć.
Tak samo będzie w przypadku pływającej metalowej monety lub owada stojącego na powierzchni wody.
Zaznacz wszystkie prawidłowe odpowiedzi.
- Nartnik wodny może spacerować po powierzchni wody dzięki siłom napięcia powierzchniowego.
- Siły napięcia powierzchniowego to siły dążące do osiągnięcia jak najmniejszej powierzchni przez błonę powierzchniową.
- Po powierzchni wody mogą spacerować tylko owady. W szczególności wszystkie ciała wykonane ze stali, materiału o większej gęstości niż woda umieszczone na powierzchni wody na wskutek swojego ciężaru toną.
Podsumowanie
Ciecze łączą ze sobą cechy gazów i ciał stałych. Z jednej strony cząsteczki cieczy pozostają w odległościach zbliżonych do charakterystycznych dla ciał stałych (nieco większych od średnicy ich cząsteczek), z drugiej – swobodnie przemieszczają się względem siebie (charakteryzują się wysoką ruchliwością).
Powierzchnię samorzutnie wytworzoną przez ciecz na styku z innym ośrodkiem (próżnią, powietrzem, inną cieczą) nazywamy powierzchnią swobodną cieczy.
Ciecze bardzo trudno zmieniają objętość pod wpływem oddziaływania zewnetrznego. Odpowiadają za to silne oddziaływania międzycząsteczkowe, które podczas ściskania cieczy prowadzą do odpychania się cząsteczek, a podczas rozprężania – do ich przyciagania.
Większość cieczy to złe przewodniki ciepła.
Niektóre ciecze przewodzą prąd elektryczny. Są to najczęściej elektrolity, tzn. wodne roztwory niektórych zasad, kwasów lub soli. Mogą to być także roztopione metale, takie jak rtęć, lub cyna.
Oddziaływania występujące między cząsteczkami tej samej substancji to siły spójności (kohezji).
Oddziaływania międzycząsteczkowe występujące między cząsteczkami różnych substancji to siły przylegania (adhezji).
Wzajemne relacje między siłami przylegania i spójności prowadzą do powstawania menisku.
Gdy siły spójności między cząsteczkami cieczy przeważają nad siłami przylegania, powstaje menisk wypukły.
Gdy siły przylegania są większe od sił spójności, powstaje menisk wklęsły.
Powierzchnia cieczy dąży do zajmowania jak najmniejszego pola. Objawia się to w sytuacji, kiedy to pole się powiększy (np. nastąpi ugięcie powierzchni). Występują wówczas siły napięcia powierzchniowego, dążące do zmniejszenia pola tej powierzchni (np. przez przywrócenie jej płaskiego kształtu).
Sprawdź, jaki ciężar jest w stanie utrzymać powierzchnia swobodna wody dzięki napięciu powierzchniowemu. Zaplanuj eksperyment, opisz jego przebieg oraz napisz podsumowanie.
Zajrzyj do zagadnień pokrewnych:
Cząsteczkowa budowa materiiCząsteczkowa budowa materii
Przekazywanie energii cieplnej w zjawisku przewodnictwa ciepła. Rola izolacji cieplnej
Napięcie elektryczne
Słowniczek
– cienka błona wytworzona na powierzchni cieczy wskutek działania sił spójności pochodzących od cząsteczek znajdujących się we wnętrzu cieczy.
– jeden z trzech stanów skupienia materii; ciecze zbudowane są z cząsteczek lub atomów oddalonych od siebie na odległość porównywalną z ich średnicami (co jest charakterystyczne dla ciał stałych). Z drugiej strony oddziaływania między cząsteczkami cieczy są na tyle słabe, że mogą one przemieszczać się niemal swobodnie względem siebie (tak samo jak cząsteczki gazów).
– kształt, jaki przyjmuje powierzchnia swobodna cieczy znajdująca się w naczyniu. Menisk może być wklęsły lub wypukły.
– menisk, który powstaje, gdy siły przylegania między cząsteczkami cieczy a cząsteczkami naczynia są większe niż siły spójności cieczy.
– menisk, który powstaje, gdy siły przylegania między cząsteczkami cieczy a cząsteczkami naczynia są mniejsze niż siły spójności cieczy.
– siły styczne do powierzchni cieczy, powodujące zmniejszanie się tej powierzchni.
– powierzchnia cieczy powstająca samorzutnie na styku cieczy z innym ośrodkiem (próżnią, powietrzem, inną cieczą). Powierzchnia swobodna to np. górna powierzchnia cieczy w naczyniu, powierzchnia kropli, powierzchnia strumienia wody.
– siły występujące między różnymi rodzajami cząsteczek, np. cieczą a ciałem stałym.
– siły występujące między cząsteczkami tej samej substancji, np. między cząsteczkami wody.
Zadania podsumowujące
Uzupełnij puste miejsce.
Powierzchnia cieczy, którą ciecz tworzy samorzutnie nazywa się powierzchnią ...................
Uzupełnij puste miejsce, wybierając brakujący element z listy.
w spoczynku, przez chwilę w ruchu, a potem w spoczynku, w ruchu
Cząsteczki w cieczach są ...........................................................................................