5. Budowa i właściwości cieczy. Zjawisko napięcia powierzchniowego

Woda jest cieczą, która towarzyszy nam na co dzień. Pokrywa ponad $70\%$ powierzchni Ziemi i stanowi, w zależności od wieku, od około $60\%$ do około $80\%$ masy naszych ciał. Czy znasz wszystkie właściwości wody? Dlaczego nartnik może ślizgać się po powierzchni wody? Pod jakim względem inne ciecze są do niej podobne? Jeżeli chcesz poznać odpowiedzi na te pytania, czytaj dalej.

RlxuLkJrTtYDv

Zdjęcie przedstawia rozżarzony do czerwoności tygiel, z którego po obróceniu wypływa struga płynnego złota otaczana przez płomienie. Całe otoczenie tygielka jest ciemne, co sugeruje, że tak naprawdę blask zarówno tygielka jak i złotej strugi są znacznie jaśniejsze.

• Cząsteczkowa budowa materii;

• Stany skupienia materii;

• Budowa i właściwości ciał stałych. Budowa krystaliczna.

Budowa wewnętrzna cieczy

Ciecze mają zarówno niektóre cechy gazów, jak 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.

R38EeVKz5kbIW

Aplikacja pokazuje ruch cząsteczek w cieczach. Białe tło. Na środku kwadrat. Boki kwadratu czarne, wypełnienie białe. W środku kwadratu kilkadziesiąt niebieskich kółek. Wypełniają prawie całe wnętrze kwadratu. Chaotycznie się ruszają. Odbijają się od siebie i od krawędzi kwadratu. Mieszają się. Są w stanie zmienić swoje położenie.

Aplikacja pokazuje ruch cząsteczek w cieczach. Białe tło. Na środku kwadrat. Boki kwadratu czarne, wypełnienie białe. W środku kwadratu kilkadziesiąt niebieskich kółek. Wypełniają prawie całe wnętrze kwadratu. Chaotycznie się ruszają. Odbijają się od siebie i od krawędzi kwadratu. Mieszają się. Są w stanie zmienić swoje położenie.

Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/b/PK6wflQPc

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 .

RZfCQNv2yJmuI

Zdjęcie przedstawiające trzy naczynia o różnych kształtach wypełnione taką samą objętością wody, stojące na ścierce białej w kwiatki . Naczynia to szklanka, kieliszek i strzykawka. W szklance tafla wody znajduje się niewiele ponad dnem. Woda w kieliszku sięga do około dwóch trzecich jego wysokości. Woda w strzykawce zajmuje ponad połowę objętości naczynia, a na skali można odczytać, że jest jej piętnaście mililitrów.

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, powierzchnia cieczy pozostaje pozioma. W rozpędzającym się lub hamującym pociągu woda w szklance nie ma powierzchni poziomej. Zachęcamy Cię do sprawdzenia tego faktu w praktyce.

R1OTx2XOS10M4

Zdjęcie przedstawia kroplę wody w stanie nieważkości. Na pierwszym planie widoczna jest kropla wody. Kształt kulisty. Średnica około dwóch centymetrów. W tle twarz mężczyzny. Mężczyzna łysiejący. Niebeskie oczy, jasne brwi. Szeroki uśmiech. Wzrok skierowany ku kropli, która utrzymuje się na wysokości jego oczu. Odległość kropli od twarzy mężczyzny wynosi około kilkunastu centymetrów.

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.

Obserwacja ta ma charakter ogólny – dotyczy nie tylko wody, lecz także innych cieczy.

Nieściśliwość to właściwość cieczy, która znalazła zastosowanie w siłownikach hydraulicznych, maszynach budowlanych, a nawet zwykłych strzykawkach.

R1dXys7G9GzwP

Zdjęcie przedstawia koparkę. Koparka stoi na nasypie, zwrócona prawym bokiem do obiektywu. W tle błękitne niebo. Koparka koloru żółtego.

Cieplne i elektryczne przewodnictwo cieczy

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.

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.

R1QBgMwx5COG7

Film dotyczący przewodnictwa elektrycznego w cieczach.

Film dotyczący przewodnictwa elektrycznego w cieczach.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/R1QBgMwx5COG7

Film dotyczący przewodnictwa elektrycznego w cieczach.

Oddziaływania międzycząsteczkowe

Dyfuzja (np. rozchodzenie się zapachów w powietrzu czy parzenie herbaty) oraz zjawisko, w którym ciecze po zmieszaniu się mają mniejszą objętość sumaryczną, są dowodami na cząsteczkową budowę materii. Wiemy również, że cząsteczki oddziałują wzajemnie na siebie. Podczas ich zbliżania dominują siły odpychania, a podczas oddalania – siły przyciągania.

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).

R3SxSGtnZipz0

Film dotyczący siły spójności w cieczach.

Film dotyczący siły spójności w cieczach.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/R3SxSGtnZipz0

Film dotyczący siły spójności w cieczach.

Rozważmy, co dzieje się z cząsteczką znajdującą się we wnętrzu cieczy.

RhpvoDmLEvHvn

Ilustracja przedstawia naczynie wypełnione wodą. Jest to krawędź prostokąta bez górnej ściany, którego część wypełniona jest niebieskim kolorem. Niebieska część jest takiej samej szerokości co prostokąt, jednak jest nieco niższa na wysokość. W odległości d od górnej krawędzi niebieskiego prostokąta narysowana została pozioma linia przerywana, wzdłuż całej szerokości prostokątów. W niebieskim prostokącie namalowano trzy małe czerwone kółka. Jedno kółko, najbardziej po prawej stronie, jest przy górnej krawędzi niebieskiego prostokąta. Odchodzi od niego promieniście siedem wektorów: jeden jest zielony, skierowany pionowo ze zwrotem w dół, i jest najdłuższy - jest tak długi, że sięga poniżej przerywanej linii; pozostałe sześć to ponad dwa razy krótsze czarne wektory, skierowane promieniście od czerwonego kółka - trzy po lewej stronie pionowego wektora i trzy po prawej; mają równe długości i są narysowane równomiernie między zielonym wektorem a górną krawędzią niebieskiego prostokąta. Kółko środkowe narysowane jest w pobliżu linii przerywanej, trochę ponad nią. Odchodzi od niego 13 wektorów. Są one rozłożone równomiernie, promieniście od kółka, przy czym jeden z wektorów jest zielony i nachodzi na czarny wektor skierowany pionowo w dół. Zielony wektor jest również skierowany w dół, jest jednak krótszy od czarnego. Wektory odchodzące od kółka mają różne długości - wektory ze zwrotami skierowanymi ku górze są krótsze, przy czym najkrótszy jest wektor skierowany pionowo ze zwrotem w górę. Ostatnia kropka narysowana jest daleko od przerywanej linii. Nie zbliża się też ona do żadnej ze ścianek. Dwanaście czarnych wektorów od niej odchodzących promieniście i równomiernie, mają te same długości.

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 przyciągające 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 właściwości nazywamy błoną powierzchniową.

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.

RcNlKr9kxxToA

Film dotyczący przylegania dwóch płyt CD, jako demonstracja sił oddziaływań międzycząsteczkowych.

Film dotyczący przylegania dwóch płyt CD, jako demonstracja sił oddziaływań międzycząsteczkowych.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/RcNlKr9kxxToA

Film dotyczący przylegania dwóch płyt CD, jako demonstracja sił oddziaływań międzycząsteczkowych.

RpbW0mj3evfCZ

Ilustracja przedstawia warstwę kleju. Schemat poziomy. Górna część schematu jasnoszara. Dolna część ciemnoszara. Przez środek, poziomo przebiega warstwa kleju. Klej żółto‑pomarańczowy. Linia ciągła, bardzo nieregularna. Przechodzi przez całą długość schematu. Miejscami bardzo wąska (około 1 milimetr) lub bardzo szeroka (około 10 milimetrów). W prawej strony schematu znajdują się opisy. Środkowa część żółto‑pomarańczowej linii opisana jako „Warstwa kleju utrzymana przez ziły spójności (kohezji)”. Linie warstwy kleju graniczące z jasnoszarą częścią schematu (górną) i z ciemnoszarą częścią (dolną) opisane jako: „Przyleganie (adhezja) kleju i materiału sklejanego na granicy obu substancji”.

R1ABwAfYjmKI4

Zdjęcie przedstawia przednią połowę samca kaczki krzyżówki Zajmuje prawie dużą część powierzchni zdjęcia. Dziób żółty z czarnym końcem. Zielono opalizująca głowa, odgraniczona od reszty ciała białą obrożą. Pierś cała brązowa, grzbiet i złożone na nim skrzydła brązowo‑białe. Pióra pokryte drobnymi kropelkami wody. Kaczka płynie po szarej wodzie wzburzonej kroplami deszczu.

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.

R1OVuM46X0HBF

Ilustracja przedstawia trzy identyczne naczynia w kształcie probówki. Są one ustawione na tej samej wysokości, między nimi są odstępy. Są podpisane od lewej: A, B i C. Ponad połową ich wysokości narysowano poziomą przerywaną prostą. Probówki pod przerywaną prostą pomalowane są na niebiesko, co ma symbolizować obecną w nich ciecz. W probówce A ciecz przy ściankach probówki wznosi się trochę nad przerywaną linię, co daje kształt położonej "na plecy" litery C. W probówce B ciecz przy ściankach trochę opada - można to porównać do litery C zwisającej "nóżkami w dół" z prostej. W probówce C powierzchnia cieczy pokrywa się z przerywaną linią.

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).

R1CUPMz1RDtyu

Ilustracja przedstawia mechanizm powstawania menisku wklęsłego. Schemat przedzielony na pół ponową, szarą linią. Linia ta symbolizuje ściankę naczynia. Lewa część schematu cała biała. Prawa część w górnej połowie biała. Dolna część błękitna. Prawa część schematu imituje szklankę z wodą. Powierzchnia wody w środkowej części płaska. Tuż przy krawędzi ściany, powierzchnia wody delikatnie unosi się. Powierzchnia wody i krawędź ściany nie tworzą kąta prostego. W miejscu przegięcia kształtu utworzonego przez ciecz narysowano styczną. Trochę poniżej oznaczono strzałkami wychodzącymi z tego samego punktu wektory siły przylegania i siły spójności oraz siły wypadkowej. Wektor siły spójności skierowany jest równolegle do stycznej, ze zwrotem w kierunku cieczy (w dół). Wektor siły przylegania jest prostopadły do ścianki naczynia, ze zwrotem w jej stronę (w lewo). Wektor siły wypadkowej narysowany został metodą równoległoboku i jest on prostopadły do stycznej.

Gdy siły przylegania są mniejsze od sił spójności, powstaje menisk wypukły.

R1NcZmTsUtYRs

Ilustracja przedstawia mechanizm powstawania menisku wypukłego. Schemat przedzielony na pół ponową, szarą linią. Linia ta symbolizuje ściankę naczynia. Lewa część schematu cała biała. Prawa część w górnej połowie biała. Dolna część błękitna. Prawa część schematu imituje szklankę z wodą. Powierzchnia wody w środkowej części płaska. Tuż przy krawędzi ściany, powierzchnia wody delikatnie opada. Powierzchnia wody i krawędź ściany nie tworzą kąta prostego. W miejscu przegięcia kształtu utworzonego przez ciecz narysowano styczną. Trochę poniżej oznaczono strzałkami wychodzącymi z tego samego punktu wektory siły przylegania i siły spójności oraz siły wypadkowej. Wektor siły spójności skierowany wgłąb cieczy, ze zwrotem w jej kierunku(w dół). Wektor siły przylegania jest prostopadły do ścianki naczynia, ze zwrotem w jej stronę (w lewo). Wektor siły wypadkowej narysowany został metodą równoległoboku i jest on prostopadły do stycznej..

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.

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?

R1CUM949q5Y2j

Zdjęcie przedstawiające owada nartnika na wodzie. Owad jest barwy ciemnobrązowej, odnóża cienkie, długie. Utrzymuje się na powierzchni wody. Błona powierzchniowa wody nie ulega przerwaniu, lecz ugięciu. Tło rozmazane.

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 (ponieważ ją na niej położyliśmy), 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.

R1a7QtIyLA7CQ

Ilustracja przedstawia napięcie powierzchniowe. Tło białe. Przez środek poprowadzono poziomą linię. Nie linii w równych odstępach umieszczono jasnoniebieskie koła. Wyglądem przypominają korale nawleczone na nitkę. Po środku, nad linią z kołami, znajduje się duże, szare koło. W środku napis „igła”. Linia z kołami, tuż pod szarym kołem, jest nieco obniżona. Wygląda, jakby ugięła się pod kołem. W miejscach, gdzie linia zaczyna się obniżać poprowadzono stycznie czarne strzałki. Prawa strzałka znajduje się pod kątem ok. 30 stopni do poziomej linii. Zwrot ku prawej, górnej części schematu. Położenie i zwrot drugiej strzałki – analogicznie.

Tak samo będzie w przypadku pływającej metalowej monety lub owada stojącego na powierzchni wody.

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 zewnętrznego. Odpowiadają za to silne oddziaływania międzycząsteczkowe, które podczas ściskania cieczy prowadzą do odpychania się cząsteczek, a podczas rozprężania – do ich przyciągania.

• 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).

Słownik

Zadania