Tekućine i njihova karakteristična svojstva

Uvod

Koje su sličnosti, a koje razlike tvari u čvrstom, tekućem i plinovitom stanju?

Uspostavljanje ravnoteže između pojedinih agregacijskih stanja ili faza nekog sustava pri određenom tlaku i temperaturi, uz pretpostavku stalnoga volumena, može se prikazati faznim dijagramom (p, t).

Tvari u tekućem agregacijskom stanju imaju manji stupanj uređenosti strukture od tvari u čvrstom agregacijskom stanju. Između čestica u tekućini udaljenost je veća zbog slabijih privlačnih sila. Zato se čestice u tekućini relativno slobodno gibaju i lako mijenjaju položaj. Tekućine poprimaju oblik posude u kojoj se nalaze i nestlačive su tj. povećanjem tlaka ne mijenjaju volumen.

Što su tekućine?

Tekućine su tvari koje su pri sobnoj temperaturi u tekućem agregacijskom stanju. Umjesto uobičajenoga naziva tekućina za tvar u tekućem agegacijskom stanju rabi se i naziv kapljevina, a takvo agregacijsko stanje naziva se kapljevitim. Naziv tekućina (engl. fluid) tada ima šire značenje i obuhvaća: kapljevine (engl. liquid) i plinove (engl. gas).

Osnovna svojstva tekućina ovise o privlačnim silama između čestica u tekućini.

Svojstva po kojima tekućine možemo razlikovati su primjerice: gustoća, viskoznost, napetost površine i tlak pare.

Gustoća tekućina

Vjerojatno ste primijetili da vam je lakše plivati u moru, nego u bazenu sa slatkom vodom, kao i da kapljice aromatičnog ulja plivaju na površini kupke za kupanje. Ogromne sante leda plivaju na površini mora ili rijeka, kao što i kockica leda pliva u čaši na površini osvježavajućeg soka. Koji je razlog tomu?

Razlog svega što smo naveli različite su gustoće navedenih tvari. Od ranije znamo:

\(\rho(\textrm{tekućina}) = \dfrac{m(\textrm{tekućina})}{V(\textrm{tekućina})}\)

Oznaka za gustoću je grčko slovo  ρ (čitati ro), a mjerna jedinica u SI sustavu je kg m^-3.

Pretvorba mjerne jedinice za gustoću

Određivanje gustoće pomoću areometra temelji se na Arhimedovu zakonu.

Na temelju istraživačkog miniprojekta, radom u skupinama, istražite kada i gdje se rodio Arhimed, čime se bavio i što ga je navelo da iz kade istrči gol vičući: „Eureka!“.

Pretražite mrežne stranice po ključnim pojmovima, npr. gustoća čvrstih tvari (vidi 1. razred), gustoća tekućina, ovisnost gustoće o temperaturi, areometar. Unutar skupine u alatu Xmind načinite mentalnu mapu i na taj način usustavite ključne pojmove.

Svoje uratke predstavite suučenicima u razredu. Izaberite najkreativniju i najbolje usustavljenu mentalnu mapu. Ne zaboravite istražiti i umetnuti u mentalnu mapu i neke zanimljivosti iz života i rada Arhimeda.

Viskoznost

Viskoznost je karakteristično svojstvo tekućina, definira se kao unutarnje trenje između slojeva u tekućinama. Unutarnje trenje posljedica je međumolekulskih sila (vodikove veze, van der Waalsove sile ). Jakost privlačnih sila ovisi o obliku molekula kao i o njihovoj veličini.
 
Više informacija o međumolekulskim interakcijama možete pronaći u jedinici 3.2 Međumolekulske interakcije u DOS-u Kemija 1.
 
Ulje je viskoznija tekućina od vode, jer su ulja (jestiva ili motorna) građena od dugačkih nepolarnih ugljikovodičnih lanaca, a molekule vode su vrlo male i kuglastog oblika.

Oznaka za viskoznost je grčko slovo η (čitati eta), a mjerna jedinica SI sustava je Pa s.

Proučite sliku koja prikazuje brzinu istjecanja slojeva u tekućini.

Koji slojevi imaju najveću, a koji najmanju brzinu istjecanja?

Najsporije će istjecati sloj uz stijenku cijevi, a najbrže sloj koji je najudaljeniji od stijenke – sloj koji istječe kroz sredinu cijevi. Različite brzine istjecanja slojeva tekućine posljedica su trenja tekućine sa stijenkama cijevi i trenja između slojeva tekućine koji se međusobno dodoruju i gibaju.

Hoće li na viskoznost tekućine utjecati oblik i veličina molekula?

Usporedite strukture molekula: a) etanola b) etilen-glikola
c) propan-1-ola i d) glicerola.

Viskoznost ima važnu ulogu u različitim područjima ljudske djelatnosti npr. u proizvodnji složenih motornih ulja (ljetna i zimska ulja), tekstilnoj industriji, proizvodnji različitih uljnih boja i dr.

Više informacija o viskoznosti možete pronaći u jedinici 5.5 Strujanje fluida u DOS-u Fizika 1.

Površinska napetost

Površinska napetost je sila koja nastaje zbog različitog okruženja čestica na površini i u unutrašnjosti tekućine. Svaka čestica u unutrašnjosti tekućine u cijelosti je okružena s istovrsnim česticama. Nasuprot tome, čestica na površini s jedne strane je u dodiru s istovrsnim česticama, a s druge strane je u dodiru sa česticama zraka. U vodi, sile između molekula u unutrašnjosti su jake vodikove veze.

Za razliku od njih, u površinskom sloju djeluju vrlo slabe sile između molekula vode i molekula zraka. Time što molekule iz unutrašnjosti nastoje privući molekule s površine, površina se ponaša kao elastična opna koja nastoji smanjiti površinu tekućine. Površinska napetost je naziv za silu koja održava ovu elastičnu opnu.

Oznaka za napetost površine je grčko slovo \(\sigma\) (čitati sigma), a mjerna jedinica je \(\pu{N m-1}\).

Napetost površine ovisi o jakosti privlačnih sila između molekula i o temperaturi.

Voda u staklenoj epruveti prijanja uz staklo zbog sila adhezije (sile između raznovrsnih čestica) između vode i stakla, koje su jače od sila kohezije (sile između istovrsnih čestica) između molekula vode. Gornja površina vode, menisk, savijen prema gore, ploha je konkavna.

Kod žive je međutim menisk savijen prema dolje, gdje živa dodiruje staklo, pa je ploha konveksna. U ovom slučaju sile kohezije između atoma žive puno su jače od sila adhezije između žive i stakla.

Izvedite kod kuće jednostavni pokus kojim ćete dokazati da je površinska napetost vode velika. Tijek pokusa fotografirajte i fotografije posložite u prezentaciju koju možete načiniti u nekom od alata koji su vam dostupni u CARNETovom e-Laboratoriju.

Istražite što će se dogoditi, ako u zdjelicu dodate kap detergenta ili tekućega sapuna.

Što može smanjiti površinsku napetost tekućina?

Površinska napetost tekućine ovisi o jakosti privlačnih sila između molekula u tekućini, o prirodi tvari s kojom tekućina graniči i o temperaturi.

Površinska napetost vode može se osim povišenjem temperature smanjiti i dodavanjem površinski aktivnih tvari (tenzidi) primjerice, sapuna ili deterdženta.

Djelovanje sapuna i deterdženta može se objasniti građom njihovih molekula.

Sapuni su natrijeve ili kalijeve soli viših masnih kiselina, primjerice, oleinske \(\ce{C17H33COOH}\) i stearinske \(\ce{C17H35COOH}\) kiseline.

Anionski dio sapuna ima hidrofobni dio  (“rep”) i  hidrofilni dio  (“glava”). Kation je \(\ce{Na+ \: \textrm{ili} \: K+}\).

Kako sapun uklanja masne mrlje?

Navedena građa sapuna omogućuje uklanjanje masnih mrlja pri pranju tako da nepolarni ugljikovodični repovi okružuju nepolarne kapljice masti, a polarna glava se okreće prema polarnim molekulama vode. Na taj način nastaju micele čija je površina polarne građe, što omogućuje njihovo raspršivanje u vodi i na taj način ispiranje nečistoća.

Tlak para

Zašto se znojimo i zašto nas znoj hladi? Poznato je da je znojenje tjelesni mehanizam za hlađenje tijela kada smo izloženi visokim temperaturama. Molekule tekućine u dodiru s kožom apsorbiraju toplinu koja prelazi u kinetičku energiju i omogućava isparavanje koje je povezano s utroškom topline pa zato imamo osjećaj hlađenja.

Tekućine na zraku isparavaju, tj. spontano prelaze iz tekućeg u plinovito agregacijsko stanje. Prema tome, iznad tekućine se uvijek nalazi neki broj molekula u pari što uzrokuje tlak pare tekućine.

Na temelju tabličnih podataka odgovorite na sljedeća pitanja.

Brzina isparavanja tekućina povećava se s porastom temperature jer pri višim temperaturama veći broj molekula ima dovoljnu kinetičku energiju za napuštanje tekućine. Dakle, pri višoj temperaturi veća je brzina isparavanja i veći tlak pare tekućine.

Na početku isparavanja u pari je malo čestica koje se sudarima mogu vratiti u tekućinu – kondenzirati, no zagrijavanjem je sve veći broj čestica u pari kao i onih koje se kondenzacijom vraćaju u tekućinu.
Kada se broj čestica koje isparavanjem izlaze iz tekućine izjednači s brojem čestica koje se kondenzacijom vraćaju u tekućinu kaže se da je uspostavljena dinamička ravnoteža. Dinamička se ravnoteža može postići samo u zatvorenom sustavu.

Tlak pare iznad tekućine u stanju dinamičke ravnoteže naziva se ravnotežnim tlakom pare. Vrijednost ravnotežnog tlaka pare pokazatelj je relativne jakosti međumolekulskih interakcija u tekućinama, a osim o prirodi tvari ovisi i o temperaturi.

Kada se tlak pare u tekućini izjednači s vanjskim tlakom, tekućina vrije. Temperaturu pri kojoj je tlak para tekućine jednak vanjskom tlaku nazivamo vrelištem. Vrelište čiste vode pri normalnom atmosferskom tlaku od 101 325 Pa je 100 °C.

Na kraju…

Proučite prikaze triju grafikona i odgovorite kako se mijenjaju gustoća, koeficijent napetosti površine i viskoznosti destilirane vode u ovisnosti o temperaturi.