Einführung in die Chemie (Deutsch)

Begriffe

• Spannungskraft, die durch ein Seil, eine Schnur, ein Kabel oder ein ähnliches Objekt übertragen wird (wird mit Präpositionen auf, in oder von verwendet, um zu vermitteln, dass für Objekte dieselbe Kraftstärke gilt an beiden Enden angebracht).
• EnergieEine Größe, die die Arbeitsfähigkeit eines Systems angibt. Es hat Abmessungen von Masse × Abstand² / Zeit², wie z. B. 1 kg m 2 / sec2 = 1 Joule (J).
• KrümmungDer Grad, in dem eine gebogene Form gekrümmt ist.

Flüssigkeiten sind Flüssigkeiten

Flüssigkeiten und Feststoffe haben ein gemeinsames Attribut: eine klare und erkennbare Phasengrenze, die der Probe eine einfache, aber eindeutige Form verleiht. Flüssigkeiten und Feststoffe haben noch etwas gemeinsam: Die meisten ihrer molekularen Einheiten stehen zum Teil in relativ engem Kontakt. Flüssigkeiten sind jedoch wie Gase Flüssigkeiten, was bedeutet, dass sich ihre molekularen Einheiten mehr oder weniger unabhängig voneinander bewegen können. Während das Volumen eines Gases vollständig vom Druck abhängt, ist das Volumen einer Flüssigkeit weitgehend unabhängig vom atmosphärischen Druck. Daher sind Gase komprimierbar, während Flüssigkeiten nahezu nicht komprimierbar sind.

Kohäsionskräfte führen zu Oberflächenspannung

Die Moleküle in einer Flüssigkeitsprobe, die sich vollständig im Innenvolumen befinden, sind umgeben durch andere Moleküle und interagieren mit ihnen basierend auf den attraktiven intermolekularen Kräften, die für Moleküle dieses Typs vorhanden sind. Die Moleküle an der Grenzfläche zu einem anderen Medium (normalerweise Luft) haben jedoch nicht alle ähnlichen Moleküle auf allen Seiten (nämlich auf ihnen), so dass sie stärker an den Molekülen auf der Oberfläche und unmittelbar unter ihnen haften. Das Ergebnis ist ein Oberflächenfilm, der es für ein Objekt schwieriger macht, durch die Oberfläche zu stechen, als sich zu bewegen, sobald es in die Flüssigkeitsprobe eingetaucht ist. Daher führen die Kohäsionskräfte zum Phänomen der Oberflächenspannung.

Die Young-Laplace-Gleichung

Die Oberflächenspannung ist für die Form eines Flüssigkeitströpfchens verantwortlich. Obwohl sie leicht verformbar ist, neigen Wassertropfen dazu, durch die Kohäsionskräfte der Oberflächenschicht in eine Kugelform gezogen zu werden Ohne andere Kräfte, einschließlich der Schwerkraft, wären Tropfen praktisch aller Flüssigkeiten perfekt kugelförmig. Wenn keine Kraft normal (senkrecht) zu einer gespannten Oberfläche wirkt, muss die Oberfläche flach bleiben. Wenn jedoch der Druck auf einer Seite der Oberfläche liegt unterscheidet sich vom Druck auf der anderen Seite, führt die Druckdifferenz mal der Oberfläche zu einer Normalkraft. Damit die Oberfläche zehn Ionenkräfte, um diese Kraft aufgrund von Druck aufzuheben, muss die Oberfläche gekrümmt sein. Wenn alle Kräfte ausgeglichen sind, ist die Krümmung der Oberfläche ein gutes Maß für die Oberflächenspannung, die durch die Young-Laplace-Gleichung beschrieben wird:

\ Delta P = \ gamma \ left (\ frac { 1} {R_ {1}} + \ frac {1} {R_ {2}} \ right)

Diese Gleichung beschreibt die Form und Krümmung von Wasserblasen und Pfützen, die „Fußabdrücke“ von Wasser- wandelnde Insekten und das Phänomen einer Nadel, die auf der Wasseroberfläche schwimmt. Obwohl die Nadel dichter als Wasser ist, schwimmt sie, weil die Oberflächenspannung eine kontraktive Tendenz der Oberfläche einer Flüssigkeit ist, die es ihr ermöglicht, einer äußeren Kraft zu widerstehen Die Eigenschaft wird durch die Kohäsion ähnlicher Moleküle verursacht und ist für viele Verhaltensweisen von Flüssigkeiten verantwortlich.

Potenzielle Energie von Molekülen in einer Flüssigkeit

Bei der Vorstellung der Form von a Flüssigkeitströpfchen oder die Krümmung der Oberfläche einer Flüssigkeit, man muss bedenken, dass sich die Moleküle an der Oberfläche auf einem anderen Niveau potentieller Energie befinden als die des Inneren.Das heißt, es gibt einen Energieunterschied zwischen dem Inneren und der Oberfläche: Um ein Molekül vom Inneren zur Oberfläche zu bewegen, ist Energie erforderlich. Flüssigkeiten (zum Beispiel in Form eines Tropfens) sind so geformt, dass die Energie an der Oberfläche minimiert wird. Da die Energie an der Oberfläche zum großen Teil auf die intermolekularen Anziehungskräfte zwischen Partikeln auf der Oberfläche und denen im Inneren zurückzuführen ist, ist die Oberflächenspannung ein Indikator für das Ausmaß dieser Kräfte. Unterschiedliche Flüssigkeiten und Lösungen haben unterschiedliche Oberflächenspannungen.

Die Oberflächenspannungen einiger üblicher Flüssigkeiten und Lösungen sind wie folgt in dyn / cm (beachten Sie die besonders hohe Oberflächenspannung von Wasser):

• Wasser, H (OH): 72,7
• Benzol, C6H6: 40,0
• Glycerin, C3H2 (OH) 3: 63,0
• Saccharoselösung (85% in Wasser): 76,4

Einheiten der Oberflächenspannung

Die Oberflächenspannung wird in Krafteinheiten pro Längeneinheit oder Energie pro Flächeneinheit (zum Beispiel) ausgedrückt , N / m oder J / m 2). Die beiden sind äquivalent, aber wenn man sich auf Energie pro Flächeneinheit bezieht, verwenden die Menschen den Begriff „Oberflächenenergie“, der allgemeiner in dem Sinne ist, dass er sowohl für Feststoffe als auch für Flüssigkeiten gilt.