Het gedrag van water en kwik in capillaire buisjes

Als je in de scheikundeles een volume moet bepalen van een waterige oplossing in bijvoorbeeld een maatcilinder, moet je steeds het volume aflezen aan de meniscus van de oplossing. Bij waterige oplossingen zie je dat aan de wanden van de maatcilinder het water wat is opgestegen. Je krijgt dus geen vlak oppervlakte en je dient het volume af te lezen aan de onderkant van de holle oppervlakte. Bij kwik krijg je echter een bol oppervlak en zal je het volume aan de bovenkant van deze oppervlakte moeten aflezen.

Inhoud

• Adhesie en cohesie
• Cohesie
• Adhesie
• Grensvlakspanning vloeistof/vaste wand
• Een niet-bevochtigende stof
• Een bevochtigende stof
• Een vloeistof die noch bevochtigt, noch niet bevochtigt
• Capillariteit en toepassingen

Adhesie en cohesie

Cohesie

Cohesiekrachten zijn aantrekkingskrachten die werken tussen moleculen van dezelfde soort. Zonder cohesiekrachten zouden alle stoffen gewoon uit elkaar vallen. Zowel water als kwik vormen ronde druppels door de aantrekkingskrachten die tussen de moleculen bestaan. Bij kwik zijn deze druppels echter veel meer uitgesproken dan bij water. Dit komt omdat er tussen kwikmoleculen veel sterkere cohesiekrachten bestaan in vergelijking met die tussen watermoleculen.

Adhesie

Adhesiekrachten zijn aantrekkingskrachten die werken tussen moleculen van verschillende stoffen. Zonder adhesiekrachten zou het bijvoorbeeld onmogelijk zijn om met een krijtje op een bord te schrijven. Waterdruppels die op een oppervlakte vallen, spatten vloeiend uit elkaar en bevochtigen het oppervlakte. Dit wijst op een aantrekking tussen water en het oppervlak. Wanneer kwikdruppels een oppervlakte raken, breken ze in kleinere druppels die ongestoord verder rollen over het oppervlak. Kwik vertoont dus maar weinig adhesie met het oppervlak.

Grensvlakspanning vloeistof/vaste wand

Een vloeistofdeeltje in contact met een wand ondervindt enerzijds cohesiekrachten vanwege de andere vloeistofmoleculen en anderzijds adhesiekrachten vanwege de wandmoleculen.

In onderstaande figuren worden drie verschillende situaties voorgesteld met:

• F_a: de adhesiekrachten van de wandmoleculen op de vloeistof.
• F_c: de cohesiekrachten tussen de vloeistofmoleculen.
• F_r: de resulterende kracht op de vloeistofmoleculen.

Een niet-bevochtigende stof

De resulterende kracht is naar de vloeistof toe gericht. Het grensoppervlak van de vloeistof heeft een bolle vorm. De vloeistof bevochtigt de wand niet. Een voorbeeld hiervan is kwik. Kwikmoleculen beperken het contact met de wand door deze bolle vorm aan te nemen.

Een bevochtigende stof

De resulterende kracht is naar de wand gericht. Het grensoppervlak van de vloeistof heeft een holle vorm. Hier bevochtigt de vloeistof de wand. Een voorbeeld hiervan is water. Watermoleculen worden aangetrokken door de wand en door deze holle vorm aan te nemen, vergroten ze hun contact met de wand.

Een vloeistof die noch bevochtigt, noch niet bevochtigt

De resulterende kracht loopt langs de wand. Deze situatie komt zelden voor.

Capillariteit en toepassingen

In een vat met verbonden open vaten zal een vloeistof in elk vat op dezelfde hoogte staan, ongeacht de vorm van de vaten. Dit is logisch daar de druk, de luchtdruk, op de vloeistof in elk vat even groot is. Zowel water als kwik zullen in elk vat dus even hoog staan met het verschil dat bij water de oppervlakken hol zijn en kwik bolle oppervlakken zal vertonen.

In een vat voorzien van een reeks capillaire vaatjes met verschillende diameters zal de situatie anders zijn. In elk buisje zal de vloeistof op een andere hoogte staan, afhankelijk van de diameter van het capillair. Water heeft de eigenschap om op te stijgen in capillaire vaatjes en hoe fijner het vaatje, hoe hoger water zal opstijgen. Kwik vertoont het omgekeerde effect, hoe fijner het vaatje, hoe lager kwik zal staan.


Dit verschijnsel wordt capillariteit of haarbuiskracht genoemd. Capillariteit is het verschijnsel waarbij vloeistoffen in nauwe buisjes een abnormaal peil vertonen. Of vloeistoffen opstijgen of dalen, hangt af van het samenspel tussen cohesie- en adhesiekrachten die heersen tussen de vloeistofmoleculen en tussen de vloeistof- en de wandmoleculen. Bij vloeistoffen die wanden bevochtigen, zoals water, en waar adhesie dus overheerst, zal de vloeistof opstijgen in nauwe buisjes. Bij vloeistoffen die wanden niet bevochtigen, zoals kwik, en waar cohesie overheerst, zal de vloeistof dalen.