Właściwości cieczy

Struktura

Ciecz jest zbiorem cząsteczek o na tyle dużej masie cząsteczkowej ("rzeczywistej" nie formalnej), że siły grawitacji mają znaczący wpływ na ich zachowanie. Siły oddziaływań międzycząsteczkowych są z kolei tak niewielkie, że ciecz nie ma własnego kształtu - cząsteczki przemieszczają się dość swobodnie względem siebie -  natomiast na tyle duże by powodować zjawisko napięcia powierzchniowego i ciągłości strugi. Ponadto siły te powodują wystąpienie zjawiska lepkości cieczy, czyli konieczności użycia  czasem stosunkowo dość znacznej siły, w celu przesunięcia jednej warstwy cieczy względem drugiej. Przyjęto za ciecz uznawać substancje, które wypełniają kształt naczynia, zachowują się zgodnie z prawem powszechnego ciążenia i tworzą fizycznie ciągłą strukturę. Ciecz, po dostarczeniu jej odpowiedniej ilości energii (podgrzaniu), coraz intensywniej przechodzi w stan gazowy (paruje) pokonując dość łatwo, ze względu na ich niewielkie wartości, siły spójności (oddziaływania międzycząsteczkowe) i grawitacji ziemskiej. Z drugiej strony łatwo ciecz ochłodzić do wartości energii kinetycznej warunkującej znaczący wpływ sił międzycząsteczkowych i grawitacyjnych na postać danej substancji. Zestalenie się cieczy w odpowiednich warunkach może być spowodowane wytworzeniem sieci krystalicznej (krystalizacja) bądź tylko gęstym upakowaniem dość chaotycznie ułożonych cząsteczek pod wpływem sił grawitacji ziemskiej. W tym drugim przypadku mówimy o powstaniu bezpostaciowego ciała stałego (parafina, smoła itp.).
Lepkość cieczy

Jeżeli jedną warstwę cieczy (A) o powierzchni P chcemy przesuwać względem drugiej (B) z szybkością względną równą dv a odległość między nimi wynosi dx, to siła F potrzebna do tego będzie wynosić:

Siła F potrzebna jest w celu pokonania sił międzycząsteczkowych wiążących poszczególne cząsteczki stykających się warstw cieczy (tarcie wewnętrzne) oraz nadanie cząsteczkom odpowiedniego przyspieszenia. Współczynnik η nosi nazwę współczynnika lepkości lub krócej nazywamy go lepkością dynamiczną i jest wyrażany w jednostkach zwanych puazami (wymiar - N·s/m2), przy czym, ze względu na  najczęściej występujące w praktyce wartości lepkości, przeważnie wyrażamy go w centypuazach (cP). Można się również spotkać z lepkością wyrażoną w stokesach (sztoksach) lub częściej z analogicznych powodów w centystokesach (cSt). W tym drugim przypadku chodzi o tzw. lepkość kinematyczną, tzn. lepkość dynamiczną podzieloną przez gęstość cieczy. Lepkość kinematyczna, bywa także nazywana lepkością właściwą, uwzględnia ona bowiem, że część siły F zostaje zużyta na pokonanie bezwładności cieczy.

Do pomiaru lepkości cieczy służą lepkościomierze (wiskozymetry). Najpopularniejsze to wiskozymetry Ostwalda i Englera, gdzie oblicza się lepkość przez pomiar czasu przepływu badanej cieczy przez rurkę kapilarną, lub wiskozymetr Höplera, w którym mierzy się czas opadania standaryzowanej kulki w przezroczystej rurce napełnionej badaną cieczą.

Ciekłe kryształy

Ciekły kryształ jest to stan materii, w którym zachowuje ona większość cech cieczy (np. wielkość lepkości), jednocześnie utrzymując uporządkowanie cząsteczek względem siebie, co nadaje jej cechy kryształu - przede wszystkim anizotropię (różne właściwości fizyczne w różnych kierunkach). Z codzienności znamy ciekłe kryształy jako podstawowy składnik różnego typu wyświetlaczy, gdzie wykorzystuje się ich cechy cieczy (np. łatwość uzyskiwania ciągłych, cienkich warstw - filmu) i kryształu (zmianę gęstości optycznej pod wpływem pola elektrycznego). Ciekłe kryształy tworzą związki o szczególnej budowie cząsteczki (np. duże płaszczyzny, spirale, długie łańcuchy), posiadające jednocześnie grupy funkcyjne silnie oddziaływujące ze sobą, rozmieszczone w cząsteczce w tak korzystny sposób, że umożliwiają utrzymanie "krystalicznego" porządku w przestrzeni. Ze względu na sposób rozmieszczenia cząsteczek w cieczy krystalicznej rozróżniamy między innymi: smektyki (cząsteczki ułożone w warstwy) i nematyki (cząsteczki tworzą włókna). Te ostatnie można orientować w przestrzeni polem magnetycznym lub elektrycznym, powodując zmiany przezroczystości, co zostało wykorzystane w wielu czytnikach, wyświetlaczach czy komputerowych monitorach LCD.

Rozpuszczalność

Podstawową regułą rządząca zjawiskiem rozpuszczania (tworzenia roztworu ciała stałego w cieczy) oraz mieszania się cieczy jest reguła krótko określająca, że podobne rozpuszcza się (miesza się) w podobnym. Przez "podobne" rozumiemy tu przede wszystkim polarność cząsteczek mieszających się w roztworze. Zastanówmy się, co legło u podstaw tej reguły i dlaczego niektóre substancje praktycznie nie mieszają się ze sobą (lub tylko w bardzo ograniczonym zakresie).

Najpierw rozpatrzmy przypadek, gdy polarną substancję A (ciało stałe) próbujemy rozpuścić w niepolarnym rozpuszczalniku B (np. sacharozę w heksanie). Cząsteczki substancji polarnej są silnie powiązane ze sobą siłami elektrostatycznymi i  niepolarne cząsteczki rozpuszczalnika B nie są w stanie wniknąć pomiędzy cząsteczki A. Jeśli nawet w jakiś sposób uzyskamy cząsteczkową dyspersję substancji A w B, to natychmiast dipole A powtórnie połączą się ze sobą a niepolarne cząsteczki B nie będą w stanie im w tym przeszkodzić.

Jeżeli ciało stałe jest substancją niepolarną i próbujemy rozpuścić je w polarnej cieczy (np. parafina  w wodzie) to ten sam mechanizm nie pozwoli wniknąć cząsteczkom niepolarnego ciała stałego pomiędzy silnie powiązane polarne cząsteczki rozpuszczalnika. Analogiczne będzie zachowanie się dwóch cieczy znacznie różniących się polarnością (np. woda i heksan).

A teraz rozpatrzmy przypadki substancji "podobnych". Tu też będą dwa przypadki. Pierwszy kiedy rozpuszczamy (mieszamy) dwie substancje niepolarne (np. parafina w benzenie). Ponieważ między cząsteczkami substancji niepolarnej A brak znaczniejszych sił wiążących te cząsteczki, a i w przypadku substancji B praktycznie takie siły nie występują - cząsteczki A najczęściej bez kłopotów mieszają się z cząsteczkami B tworząc roztwór.
Przypadek drugi to polarna substancja rozpuszczana i polarny rozpuszczalnik. Tu cząsteczki rozpuszczalnika posiadając ładunki na biegunach dipola maja "siłę" pozwalająca im wnikać pomiędzy cząsteczki substancji rozpuszczanej i otaczać cząsteczki wciągnięte do roztworu cząsteczkami rozpuszczalnika (solwatacja) i tym sposobem chronić je przed ponownym łączeniem się w sieć krystaliczną.

1. Niepolarne cząsteczki rozpuszczalnika (niebieskie) nie mogą pokonać sił spójności między polarnymi cząsteczkami substancji rozpuszczanej (czarne elipsy) a cząsteczki substancji rozpuszczonej są "wyłapywane" z roztworu poprzez działanie pola elektrycznego dipoli.

2. Dipole rozpuszczalnika (niebieskie) łatwo wnikają między cząsteczki substancji rozpuszczanej, a cząsteczki substancji rozpuszczanej są siłami elektrostatycznymi wciągane do roztworu (czerwone strzałki) gdzie otoczka solwatacyjna chroni je przed spotkaniem z inną cząsteczką związku i możliwością odtworzenia sieci krystalicznej.
       
Mieszanie cieczy

Ponieważ nie ma substancji tak zupełnie niepolarnych a i substancje polarne różnią się nieraz znacznie wielkością momentu dipolowego, omówione powyżej przykłady różnych rozpuszczalności to tylko pewne graniczne przypadki. Przyroda pełna jest układów pośrednich. Ponadto należy mieć na względzie, że polarność to nie jedyny, choć bardzo istotny czynnik wpływający na rozpuszczalność. Duże znaczenie w utrzymaniu rozproszenia cząsteczek ma ich energia kinetyczna (translacyjna) wyrażana temperaturą roztworu. Szczególnie wyraźnie można to zaobserwować na przykładzie cieczy. Prócz cieczy mieszających się bez żadnych ograniczeń (np. etanol/woda) i cieczy nie mieszających się (niższe węglowodory parafinowe/woda) mamy układy o ograniczonej mieszalności. Układy te podzielić możemy na trzy grupy: ciecze mieszające się ograniczenie do pewnej temperatury, później mieszają się bez ograniczeń, ciecze mieszające się bez ograniczeń poniżej pewnej temperatury, powyżej której ich mieszanie jest ograniczone, oraz ciecze, które charakteryzują się ograniczona mieszalnością w pewnym zakresie temperatur, powyżej zaś i poniżej tych temperatur mieszają się nieograniczenie.

Te trzy grupy mieszalności ilustrują poniższe diagramy. 

Odczytuje się je w następujący sposób (pierwszy diagram): Jeżeli w temperaturze T1 przygotuję mieszaninę cieczy A i B o składzie X, to jeżeli punkt P określony temperaturą i składem mieszaniny, znajdzie się w obrębie pola wyznaczonego przez krzywą, oznacza to, że otrzymam układ dwufazowy. Jedną fazą będzie nasycony roztwór substancji B w A, o składzie jak w punkcie a, zaś druga faza to nasycony roztwór A w B o składzie określonym punktem b.

Krzywe mieszalności na tych diagramach określają skład roztworów nasyconych w danej temperaturze (B w A - lewa gałąź krzywej i A w B- prawa gałąź). W przypadku pierwszego diagramu widzimy, że w miarę wzrostu temperatury składy tych dwóch roztworów nasyconych zbliżają się do siebie, aby w temperaturze To się zrównać, co oznacza zanik dwu faz i powstanie roztworu. Powyżej tej temperatury ciecze A i B mieszają się bez ograniczeń.
Dla drugiego diagramu obserwujemy podobny przebieg zależności, tyle że tu wzajemna rozpuszczalność rośnie w miarę obniżania temperatury i osiąga stan mieszania bez ograniczeń poniżej temperatury To.
Trzeci diagram opisuje ciekawy przypadek, kiedy w temperaturze poniżej To mamy rozpuszczalność dla każdego stosunku ilościowego A do B (tak jak na diagramie drugim), następnie powyżej tej temperatury mamy zakres, gdzie ciecze te mieszają się w sposób bardzo ograniczony, aby powyżej temperatury To' znów mieszać się nieograniczenie (jak w diagramie pierwszym).