10.4: Властивості рідин

Мета навчання

• Визначте тиск пари рідин.
• Поясніть походження як поверхневого натягу, так і капілярної дії.

Є деякі властивості, якими володіють всі рідини, в тому числі і вода. Всі рідини мають певну частину частинок з достатньою енергією, щоб увійти в газову фазу, і якщо ці частинки знаходяться на поверхні рідини, то роблять це (рис.\(\PageIndex{1}\)). Освіта газу з рідини при температурах нижче температури кипіння називається випаровуванням. При цих температурах матеріал у газовій фазі називається парою, а не газом; термін газ зарезервований для коли газова фаза є стабільною фазою.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Випаровування. Деякі частинки рідини мають достатньо енергії, щоб вийти з рідкої фази, щоб стати парою.

Якщо наявний обсяг досить великий, з часом вся рідина стане парою. Але якщо наявного обсягу буде недостатньо, з часом частина частинок пари знову увійде в рідку фазу (рис.\(\PageIndex{2}\) Рівновага). У якийсь момент кількість частинок, що входять в парову фазу, дорівнюватиме кількості частинок, що виходять з парової фази, тому чистої зміни кількості пари в системі не відбувається. Ми говоримо, що система знаходиться в рівновазі. Парціальний тиск пари при рівновазі називається тиском пари рідини.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Рівновага. У якийсь момент кількість частинок, що надходять в парову фазу, буде врівноважуватися кількістю частинок, що повертаються в рідину. Ця точка називається рівновагою.

Зрозумійте, що рідина не перестала випаровуватися. Зворотний процес - конденсація - відбувається так само швидко, як і випаровування, тому немає чистої зміни кількості пари в системі. Термін динамічна рівновага являє собою ситуацію, в якій процес все ще відбувається, але протилежний процес також відбувається з тією ж швидкістю, так що в системі немає чистих змін.

Тиск пари для речовини залежить від температури речовини; зі збільшенням температури зростає і тиск пари. Малюнок\(\PageIndex{3}\) - Графіки тиску пари проти температури для декількох рідин - це графік тиску пари проти температури для декількох рідин. Визначивши тиск пари, ми також можемо перевизначити температуру кипіння рідини: температуру, при якій тиск пари рідини дорівнює навколишньому тиску навколишнього середовища. Нормальним тиском пари, значить, є температура, при якій тиск пари дорівнює 760 торр, або рівно 1 атм. Таким чином, точки кипіння змінюються залежно від навколишнього тиску, факт, який може мати великі наслідки для приготування їжі на нижчих або вищих, ніж зазвичай, висотах. Атмосферний тиск значно змінюється в залежності від висоти.

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Графіки тиску пари проти температури для декількох рідин. Тиск пари рідини залежить від ідентичності рідини та температури, як показує ця ділянка.

Приклад\(\PageIndex{1}\)

Використовуйте рисунок,\(\PageIndex{3}\) щоб оцінити температуру кипіння води в 500 торр, що є приблизним атмосферним тиском на вершині Евересту.

Рішення

Дивіться супровідну цифру. П'ятсот торр знаходиться між 400 і 600, тому ми продовжимо лінію з цієї точки на осі у поперек кривої для води, а потім опускаємо її вниз до осі х, щоб прочитати відповідну температуру. Схоже, що точка на кривій тиску водяної пари відповідає температурі близько 90° C, тому ми робимо висновок, що температура кипіння води при 500 торр становить 90° C.

Правильно прочитавши графік, можна оцінити температуру кипіння рідини при різних температурах.

Вправа\(\PageIndex{1}\)

Використовуйте рисунок\(\PageIndex{3}\) для оцінки температури кипіння етанолу при 400 торр.

Відповідь

близько 65° C

Крива тиску пари для води не дорівнює рівному нулю при температурі плавлення 0° C, навіть лід має тиск пари - тому він з часом підвищується. Однак тиск пари твердих речовин, як правило, набагато нижчий, ніж у рідин. При −1° C тиск пари льоду становить 4,2 торр. При температурі морозильної камери 0° F (−17° C) тиск пари льоду становить лише 1,0 торр; так звані глибокі морозильні камери можуть опуститися до −23° C, де тиск пари льоду становить лише 0,6 торр.

Всі рідини мають і деякі інші властивості. Поверхневий натяг - це ефект, викликаний дисбалансом сил на атомах на поверхні рідини, як показано на малюнку\(\PageIndex{4}\). Синя частинка в основній масі рідини відчуває міжмолекулярні сили з усього навколо, як ілюструють стрілки. Однак жовта частинка на поверхні не відчуває над нею ніяких сил, оскільки над нею немає частинок. Це призводить до дисбалансу сил, званого поверхневим натягом.

Малюнок\(\PageIndex{4}\) поверхневого натягу. Поверхневий натяг виходить від того, що частинки на поверхні рідини не відчувають взаємодій з усіх боків, що призводить до дисбалансу сил на поверхні.

Поверхневий натяг відповідає за кілька відомих видів поведінки рідин, включаючи воду. Рідини з високим поверхневим натягом мають тенденцію до згортання, коли вони присутні в невеликих кількостях (рис.\(\PageIndex{5}\)).

Малюнок\(\PageIndex{5}\) Ефекти поверхневого натягу © Thinkstock. Вода на поверхні цього яблука посипається за рахунок ефекту поверхневого натягу.

Поверхневий натяг змушує рідини утворювати сфери у вільному падінні або нульовій гравітації. Поверхневий натяг також відповідає за те, що дрібні комахи можуть «гуляти» по воді. Через поверхневий натяг потрібна енергія, щоб розірвати поверхню рідини, і якщо предмет (наприклад, комаха) досить легкий, не вистачає сили через силу тяжіння для того, щоб об'єкт прорвався через поверхню, тому об'єкт залишається зверху води (рис.\(\PageIndex{6}\)). Акуратно зроблене це явище також можна проілюструвати тонким лезом бритви або скріпкою.

Малюнок\(\PageIndex{6}\) Ходьба по воді. Дрібні комахи насправді можуть ходити по воді через вплив поверхневого натягу. (Unsplash Ліцензія; Мігель Алькантара через unsplash)

Той факт, що дрібні крапельки води згортаються на поверхні, не означає, що вода - або будь-яка інша рідина - не взаємодіє з іншими речовинами. Іноді тяжіння може бути дуже сильним. Адгезія - це тенденція речовини до взаємодії з іншими речовинами через міжмолекулярних сил, тоді як згуртованість - це тенденція речовини до взаємодії з собою. Якщо сили зчеплення всередині рідини сильніші, ніж сили адгезії між рідиною та іншою речовиною, то рідина має тенденцію утримуватися; вона буде посилюватися. Однак якщо сили адгезії між рідиною та іншою речовиною сильніші за сили зчеплення, то рідина буде розтікатися по іншій речовині, намагаючись максимально розширити інтерфейс між іншою речовиною і рідиною. Кажуть, що рідина змочує іншу речовину.

Адгезія і згуртованість важливі і для інших явищ. Зокрема, якщо сили адгезії сильні, то при введенні рідини в трубку невеликого діаметру іншої речовини рідина буде рухатися вгору або вниз в трубці, як би ігноруючи гравітацію. Оскільки крихітні трубочки називаються капілярами, це явище називається капілярною дією. Наприклад, один тип капілярної дії, капілярний підйом, спостерігається, коли вода або рідини на водній основі піднімаються вгору в тонких скляних трубках (як капіляри, які іноді використовуються в аналізах крові), утворюючи вигнуту вгору поверхню, яка називається меніском. Капілярна дія також відповідає за ефект «вологого», який рушники і губки використовують для сушіння вологих предметів; матування волокон утворює крихітні капіляри, які мають хорошу адгезію з водою. Бавовна є хорошим матеріалом для цього; поліестер та інші синтетичні тканини не проявляють подібної капілярної дії, тому ви рідко знайдете рушники для ванни з віскози. Аналогічний ефект спостерігається з рідким паливом або розплавленим воском і їх гнітами. Вважається, що капілярна дія принаймні частково відповідає за транспортування води від коренів до верхівок дерев, навіть високих.

З іншого боку, деякі рідини мають сильніші сили зчеплення, ніж сили адгезії. У цьому випадку при наявності капіляра рідина витісняється з його поверхні; це приклад типу капілярної дії, званого капілярним депресією. При цьому меніск вигинається вниз. Ртуть має дуже сильні сили зчеплення; при поміщенні капіляра в басейн ртуті поверхню ртутної рідини пригнічується (рис.\(\PageIndex{7}\)).

Малюнок\(\PageIndex{7}\): Капілярна дія. (а) Підйом капілярів спостерігається, коли адгезія сильна, наприклад, з водою в тонкій скляній трубці. (b) Капілярна депресія спостерігається, коли сили зчеплення сильніші за сили адгезії, наприклад, з ртуттю та тонкими скляними трубками.

Хімія всюди: воском автомобіля

Відповідальним автовласникам рекомендується регулярно восковувати свої автомобілі. Окрім того, що автомобіль виглядає приємніше, він також допомагає захистити поверхню, особливо якщо поверхня металева. Чому?

Відповідь пов'язана зі зчепленням і адгезією (і, в меншій мірі, іржею). Вода є важливим фактором іржавіння заліза, іноді широко застосовується у зовнішніх кузовах автомобілів. Утримання води подалі від металу - один із способів мінімізувати іржавіння. У цьому допомагає шар фарби. Однак брудна або подряпана фарба може притягувати воду, а сили клею дозволять воді змочувати поверхню, максимізуючи її контакт з металом і сприяючи іржі.

Малюнок\(\PageIndex{8}\): Воскова епіляція автомобіля. Крапельки води на свіжовощеній машині погано змочують автомобіль через низьку адгезію між водою і вощеною поверхнею. Це допомагає захистити автомобіль від іржі. (Unsplash Ліцензія; Юврадж Сінгх через Unspash)

Віск складається з довгих молекул вуглеводнів, які погано взаємодіють з водою. (Вуглеводні - це сполуки з атомами C і H; докладніше про вуглеводні див. Розділ 16). Тобто тонкий шар воску не буде змочуватися водою. Свіжовощений автомобіль має низькі сили зчеплення з водою, тому вода намивається на поверхню, як наслідок її зчеплення і поверхневого натягу. Це мінімізує контакт води з металом, тим самим мінімізуючи іржу.

Резюме

• Всі рідини випаровуються.
• Якщо обсяг обмежений, випаровування з часом досягає динамічної рівноваги, і підтримується постійний тиск пари.
• Всі рідини відчувають поверхневий натяг, дисбаланс сил на поверхні рідини.
• Всі рідини відчувають капілярну дію, демонструючи або капілярний підйом, або капілярне депресію в присутності інших речовин.