5. Строеж на течностите. Молекулно налягане и повърхностно напрежение. Капилярни явления. Газова и мастна емболия

Течности са: изотропни, в структурно отношение те са аморфни, вътрешният строеж е с близък порядък в разположението на молекулите (т. е. по отношение на дадена молекула, най-близките обкръжаващи я молекули са разположени подредено).

Агрегатното състояние зависи от разстоянието, а от там и от силите на взаимодействие между молекулите. В това отношение течното състояние е междинно между твърдото и газовото. Разстоянието между молекулите в течностите е по–голямо от това в твърдите тела и е по–малко от това в газовете.

Ето защо техните свойства в някои отношения са по–близки до твърдите тела (малка свиваемост и значителна плътност), а в други отношения - до газовете (течливост). При намаляване на температурата течностите кристализират – преминават в твърдо агрегатно състояние. Този процес не води до значими ( 10%) изменения в обема на течността. Това показва, че в структурно отношение течностите не се отличават много от твърдите тела.

Теорията на Френел за структурата на течностите и характера на движението на частиците се основава на предположението, че всяка от молекулите на течностите, подобно на частиците на твърдите тела, трепти около някакъв център. След малък период от време, наречено време на релаксация, молекулата скокообразно променя позицията си и започва да трепти около нов център. Разстоянието между двата центъра е равно на средното разстояние между молекулите на течността. т. е. в рамките на малки интервали от време строежът на течностите наподобява строежа на твърдите тела. За по–дълги времена поведението на течностите наподобява това на газовете.

Течностите могат да се разглеждат като квазикристални тела. В рамките на малки интервали от време във всяка течност съществуват множество микрообласти, наречени асоциации или кластери, в които частиците са разположени геометрично правилно, подобно на разположението им в кристалната решетка на кристалните твърди тела. След кратко време тези асоциации се разпадат, но се образуват нови. Асоциациите, съществуващи в даден момент, не са разположени геометрично правилно. В този смисъл при течностите липсва далечния порядък, характерен за кристалите, където той обхваща целия им обем.

Пространствено атомите на водорода по отношение на кислорода са под ъгъл от 104,5⁰ градуса, така молекулата на водата се превръща в електричен дипол.

Между отрицателния заряд на кислородния атом от една молекула вода и положителния заряд на водородния атом на съседната молекула вода възниква електростатично привличане - водородна връзка. Разположението на кислородните атоми е близко до тетраедрично (ъглите между тях са 109,5⁰), всяка молекула вода се стреми да се свърже чрез водородни връзки с четири съседни молекули вода. В молекулната решетка на леда тетраедрите образуват най-често хексагонална решетка. В течно състояние водните молекули образуват кластери. Кластерите са асоциации от правилно подредени молекули. Те имат много малко време на живот ( от 10^-10 до 10^-11 s ). Кластерите постоянно се разпадат и след това се образуват нови с нови водородни връзки. При 20⁰С около 70% от водните молекули образуват кластери, а 30% са неасоциирани. С увеличаване на температурата количеството на кластерите и техните размери намаляват. Между кластерите има несвързни молекули вода.

Физични свойства на водата

1. 
   Универсален разтворител – вследствие на диполната си структура. Водните диполи образуват около йоните на разтвореното вещество хидратни обвивки
   
2. 
   Благодарение на електрическия си диполен момент молекулите на водата могат да се ориентират в електрично поле
   
3. 
   Голяма топлоемкост – необходимо е голямо количество топлина за промяна на температурата и; това я прави подходящ топлинен буфер; това и свойство се обяснява с кластерната стуктура. Тя се разрушава при повишаване на температурата. Водата има висока температура на топене и кипене, тя има максимална плътност при 4⁰С, голяма топлина на кипене и парообразуване
   

4. 
   Високо повърхностно напрежение, кохезия, адхезия.
   
5. 
   Аномална плътност – ако не съществуваха кластери и молекулите на водата биха били плътно опаковани, то плътността и вместо 1000 kg/m³ (25⁰С) би била 1800 kg/m³. Наличието на кластери е доказано чрез рентгеноструктурен анализ.
   
6. 
   Увеличава обема си при замръзване – особено свойство, което не се наблюдава при други течности
   

Вътре в течността всяка молекула взаимодейства със съседните с Ван-дер-Ваалсови сили на взаимодействие, които са съществени на разстояние r  10^-9m (радиус на действие); т. е. с тези молекули, които са в сферата с r = 10^-9m (сфера на действие). Молекулите в течностите са равномерно разпределени. Затова за молекулите във вътрешността на обема, резултантната на всички сили, с които им действат съседните от сферата на действие е равна на нула. На границата с газ + пари от течността, които са с по-малка плътност, резултантната сила е разположена винаги към вътрешността на течността, перпендикулярно на свободната повърхност. Сумата от всички тези сили разделена на площта на свободната повърхност на течността се нарича молекулно или кохезионно налягане. То има големи стойности, което обяснява малката свиваемост на течностите, например за вода то е около 2.10⁹ Ра или 17000 атмосфери.

F_t – сили на повърхностно напрежение

Повърхността е като опъната еластична ципа. Ако ℓ е дължина на свободната повърхност на течността, във всяка нейна точка,перпендикулярно на линията действат сили F_t




- коефициент. на повърхностно напрежение

от упражненията , където А е работата необходима за увеличение на свободната повърхност на течността с единица.

Повърхностното напрежение се стреми да доведе до минимум свободната повърхност на течността. Затова при липса на гравитация течностите се намират във вид на капки със сферична форма. Вещества, които увеличават  се наричат повърхностно пасивни (за водата такива са сол, захар), а тези които намаляват - повърхностно активни (за водата – сапун, перилни препарати). Например за алвеолите в белите дробове повърхностно активно вещество е сърфактантът, който намалява над 10 пъти енергията за разгъване на алвеолите.

Закон на Лаплас.

К
охезионното налягане зависи не само от вида на течността, но и от вида на повърхността им.
Кохезионно налягане при течности с :

а) равнинна повърхност б) изпъкнал мениск в) вдлъбнат мениск

Възниква Р_к – допълнително налягане
Мокреща течност, радиусът на кривината съвпадаща с радиуса на цилиндричен съд (малка капилярка)

F_t=ℓ=2R

Формула на Лаплас:

R – радиус на кривата (пример : сапунени мехурчета)

Капилярни явления – капиляри потопени в мокреща и немокреща течност.

Взаимодействия, както между молекулите на течността, така и между молекулите на течността и стените на съда.

Капилярно понижение при немокреща течност и повишение при мокреща течност

Мокреща немокреща