Siły międzycząsteczkowe

około 12 minut

W tej lekcji1/16

Odkręć kran na chwilę i zakręć go z powrotem. Ostatnia kropla nie spada od razu — wisi na czubku wylewki, rośnie, wydłuża się, przez moment wygląda jak mały balonik, i dopiero potem puszcza. A przecież Ziemia ciągnie ją w dół cały czas, ani na sekundę nie odpuszcza. Coś trzyma tę kroplę mocniej niż grawitacja. Co takiego?

Cząsteczki przyciągają się nawzajem

Wiesz już, że każda substancja zbudowana jest z cząsteczek. Ale one nie leżą obok siebie obojętnie, jak groch wysypany na stół. Cząsteczki wzajemnie się przyciągają. To przyciąganie nazywamy siłami międzycząsteczkowymi.

Zasięg tych sił jest bardzo krótki

Siły międzycząsteczkowe działają tylko wtedy, gdy cząsteczki są niemal dotknięte — na odległościach rzędu ich własnych rozmiarów. Odsuń cząsteczki na grubość włosa i przyciąganie praktycznie znika. Dlatego rozlanej wody nie da się z powrotem przyciągnąć do szklanki, choć te same cząsteczki chwilę wcześniej trzymały się razem.

Cząsteczka w środku kropli

Spójrz na cząsteczkę siedzącą w środku kropli wody. Sąsiadki otaczają ją ze wszystkich stron i każda ciągnie ją do siebie. Siły znoszą się nawzajem, więc cząsteczka nie ma powodu nigdzie uciekać — i cała kropla trzyma się w kupie.

Cząsteczka wewnątrz kropli: sąsiadki ciągną ze wszystkich stron

Przyleganie: gdy spotykają się dwie różne substancje

Cząsteczki nie sprawdzają metryczki sąsiada. Przyciągają też cząsteczki innej substancji — i takie przyciąganie nazywamy siłami przylegania (fachowo: adhezji).

Cała sztuka polega na tym, która z tych dwóch sił jest w danej parze silniejsza.

Woda na szkle i woda na tłuszczu

- Woda i szkło. Nalej wody na czystą szybę — rozpłynie się w cienką warstwę i przyklei do szkła. Przyleganie woda-szkło jest silniejsze niż spójność wody. Mówimy, że woda zwilża szkło.
- Woda i tłuszcz. Kapnij wodą na natłuszczoną blachę albo na liść kapusty. Kropla skuli się w kulkę i będzie się toczyć. Przyleganie do tłuszczu jest słabe, spójność wody wygrywa — woda nie zwilża tłuszczu.

Kropla na szybie: przyleganie do szkła wygrywa, więc woda się rozpływa

Kreda, ołówek i klej

- Kreda i tablica. Kreda zostawia ślad, bo jej drobinki przylegają do tablicy mocniej, niż trzymają się reszty kredy. Ołówek pisze dokładnie z tego samego powodu.
- Klej i taśma klejąca. To przyleganie zaprzęgnięte do pracy. Klej najpierw wpływa w każdą szczelinę powierzchni, a potem twardnieje — cząsteczki kleju są tak blisko cząsteczek papieru, że przyciąganie działa pełną mocą.

Dlatego przed sklejeniem czegokolwiek warto powierzchnię odtłuścić i oczyścić. Warstewka brudu albo tłuszczu odsuwa cząsteczki kleju od materiału — a przy większej odległości siły międzycząsteczkowe po prostu przestają działać.

Klej trzyma, bo z obu stron przylega do papieru z równą siłą

Menisk, czyli kto wygrał w probówce

1
Nalej wody do wąskiej szklanej probówki i przyjrzyj się jej powierzchni z boku, na wysokości oczu. Nie jest płaska. Przy ściankach woda jest wyraźnie wyżej niż pośrodku.
2
Popatrzmy na jedną cząsteczkę wody, tę tuż przy szkle. Ciągną ją dwie ekipy naraz: cząsteczki szkła (przyleganie) i pozostałe cząsteczki wody (spójność).
$F_{\text{przyl}} \quad \text{kontra} \quad F_{\text{spój}}$
3
Cząsteczka wody przy szklanej ściance: przyleganie wygrywa
W parze woda-szkło silniejsze jest przyleganie. Cząsteczki wody wspinają się więc po ściance do góry, jakby próbowały się na nią wdrapać.
$F_{\text{przyl}} > F_{\text{spój}}$
4
Powierzchnia wygina się i przybiera kształt miseczki: wyżej przy ściankach, niżej w środku. To menisk wklęsły. Zawsze oznacza, że woda zwilża ściankę.
Wskazówka
Odczytując objętość w menzurce, patrz na dno miseczki, a nie na jej brzegi. Inaczej za każdym razem odczytasz odrobinę za dużo.
5
Cząsteczka wody przy tłustej ściance: spójność wygrywa
Teraz to samo doświadczenie, ale probówkę wysmarowaliśmy w środku tłuszczem. Przyleganie robi się bardzo słabe i tym razem to spójność wody bierze górę.
$F_{\text{przyl}} < F_{\text{spój}}$
6
Woda odsuwa się od ścianki i zbiera w środku. Powierzchnia wybrzusza się do góry jak grzbiet — to menisk wypukły, znak, że ciecz nie zwilża ścianki. Tak samo zachowuje się rtęć w szklanym termometrze.
Wskazówka
Czyli kształt powierzchni w probówce to gotowy wynik zawodów. Miseczka: wygrało przyleganie. Grzbiet: wygrała spójność.

Wszystkie kroki za Tobą!

Twoja kolej

Kładziesz taką samą kroplę wody w dwóch miejscach: na czystej szybie i na świeżo natłuszczonej blasze. Co zobaczysz?

Pułapka! Dlaczego ciało nie kurczy się samo do zera?

Skoro wszystkie cząsteczki przyciągają się nawzajem, nasuwa się bardzo logiczne pytanie: to czemu ciało nie zaciska się coraz mocniej, aż zniknie? Przecież nic mu nie przeszkadza. Gumka, ołówek, Ty — wszystko powinno powoli skurczyć się do punktu.

A jednak nie. Ołówek leży w piórniku od miesięcy i ma dokładnie ten sam rozmiar.

Powód jest taki, że opowieść o samym przyciąganiu jest niepełna.

Co zależy od odległości między cząsteczkami

1
Gdy cząsteczki są oddalone, przyciągają się. Im dalej, tym słabiej — na większych odległościach przyciąganie zanika zupełnie.
2
Gdy cząsteczki są bardzo blisko siebie, zaczynają się odpychać. I to odpychanie rośnie błyskawicznie, gdy próbujesz je zbliżyć jeszcze bardziej.
3
Pomiędzy tymi dwoma zachowaniami jest jedna odległość, przy której przyciąganie i odpychanie równoważą się dokładnie. Cząsteczki ustawiają się właśnie tam.

Wszystkie kroki za Tobą!

Pułapka! Rozmiar ciała to wynik remisu

Ta równowaga wyznacza rozmiar ciała. Ściskasz gumkę — zbliżasz cząsteczki, więc odpychanie rośnie i stawia opór. Rozciągasz ją — oddalasz cząsteczki, więc przyciąganie próbuje ściągnąć je z powrotem. W obu przypadkach ciało wraca do swojej odległości równowagi, gdy tylko puścisz.

Zapamiętaj więc jednym zdaniem: cząsteczki przyciągają się z daleka i odpychają z bliska, a rozmiar każdego ciała to wynik remisu między tymi dwiema siłami.

Odległość równowagi na rysunku

Sąsiadka ciągnie cząsteczkę do siebie i jednocześnie ją odpycha — o tym, która siła wygra, decyduje wyłącznie odległość. Przy jednej jedynej odległości obie się równoważą: to odległość równowagi. Tam ustawiają się cząsteczki i to ona wyznacza rozmiar ciała.

Cząsteczka w odległości równowagi: obie siły mają tę samą wartość

Dwie płytki szklane, których nie da się rozdzielić

1
Weź dwie szklane płytki — mogą być szkiełka mikroskopowe albo dwie gładkie szybki. Połóż je jedna na drugiej i spróbuj podnieść górną. Idzie bez trudu, rozchodzą się natychmiast.
2
Dlaczego tak łatwo? Szkło tylko wygląda na idealnie gładkie. W skali cząsteczek jego powierzchnia jest pofalowana, więc płytki stykają się naprawdę tylko w kilku punktach. Wszędzie indziej dzieli je szczelina znacznie większa od zasięgu sił międzycząsteczkowych.
3
Teraz zwilż obie powierzchnie wodą i dociśnij płytki do siebie, wypychając nadmiar wody na boki. Zostaje między nimi cieniutka warstewka.
4
Spróbuj rozdzielić je ponownie, ciągnąc prosto w górę. Trzymają się zaskakująco mocno — górna płytka potrafi unieść dolną, jakby ktoś je skleił. A przecież nie ma tam żadnego kleju, tylko woda.
5
Wyjaśnienie łączy obie poznane siły. Woda przylega do szkła po obu stronach, a jednocześnie trzyma się sama siebie dzięki spójności. Powstaje most z cząsteczek, w którym nikt nikogo nie puszcza.
$\text{szkło} \; \leftrightarrow \; \text{woda} \; \leftrightarrow \; \text{szkło}$
6
Zwróć uwagę, że płytki dają się natomiast łatwo przesunąć względem siebie. Ciągnięcie prosto w górę wymagałoby zerwania mostu naraz na całej powierzchni, a przesuwanie tylko go wygina.
Wskazówka
Dokładnie na tym polega działanie kleju i taśmy. Klej wciska się w każdą nierówność, żeby zbliżyć cząsteczki do siebie na odległość, przy której siły w ogóle działają — a potem twardnieje i już nie odpływa jak woda.

Wszystkie kroki za Tobą!

Twoja kolej

Nalewasz rtęci do szklanej probówki. Rtęć nie zwilża szkła. Jak będzie wyglądać jej powierzchnia?

Ściąga do zapamiętania

Siły spójności i przylegania — czym się różnią, co z nich wynika i skąd bierze się menisk?

Cząsteczki przyciągają się wzajemnie, ale tylko na bardzo małych odległościach, rzędu ich własnych rozmiarów. Siły SPÓJNOŚCI (kohezji) działają między cząsteczkami tej samej substancji — trzymają razem kroplę wody na kranie. Siły PRZYLEGANIA (adhezji) działają między różnymi substancjami — dzięki nim działa klej, taśma, kreda na tablicy i mokre szkiełka, których nie da się rozerwać. O wyniku decyduje to, która siła w danej parze jest silniejsza: gdy wygrywa przyleganie, ciecz ZWILŻA powierzchnię (woda na szkle rozlewa się, w probówce daje menisk wklęsły, czyli miseczkę); gdy wygrywa spójność, ciecz NIE ZWILŻA (woda na tłuszczu kuli się w kulkę, rtęć w szkle daje menisk wypukły, czyli grzbiet). WAŻNE: cząsteczki nie tylko się przyciągają. Z daleka przyciągają, a z bardzo bliska zaczynają się odpychać. Odległość, przy której obie siły się równoważą, wyznacza rozmiar ciała — dlatego ciała nie kurczą się same do zera i stawiają opór przy ściskaniu i przy rozciąganiu.

Sprawdź się!

Rysunek pokazuje cząsteczkę wewnątrz kropli wody: sąsiadki ciągną ją ze wszystkich stron. Jak nazywamy siły, które zaznaczono strzałkami?

Cząsteczka wewnątrz kropli wody

Rysunek pokazuje siły działające na cząsteczkę cieczy tuż przy ściance probówki. Jak będzie wyglądać powierzchnia tej cieczy?

Cząsteczka cieczy przy ściance probówki

Kropla wody na natłuszczonej blasze zbiera się w kulkę zamiast się rozlać. Dlaczego?

Skoro cząsteczki się przyciągają, dlaczego ciało nie kurczy się samo do zera?

Dwie gładkie płytki szklane rozdzielisz bez trudu, ale zwilżone wodą i dociśnięte trzymają się bardzo mocno. Co je łączy?

Następny temat

Napięcie powierzchniowe cieczy