Aineen nestemäinen olomuoto on kiinteän ja kaasun välivaihe. Kuten kiinteän aineen hiukkaset, myös nesteen hiukkaset ovat molekyylien välisen vetovoiman alaisia; nestehiukkasten välillä on kuitenkin enemmän tilaa, joten ne eivät ole paikallaan. Nesteen hiukkasten välinen vetovoima pitää nesteen tilavuuden vakiona.
Hiukkasten liike saa nesteen muuttamaan muotoaan. Nesteet virtaavat ja täyttävät astian alimman osan, jolloin ne omaksuvat astian muodon, mutta niiden tilavuus ei muutu. Hiukkasten välisen tilan rajallisuus tarkoittaa, että nesteet ovat vain hyvin rajallisesti kokoonpuristuvia.
Koheesio ja adheesio
Koheesio on samantyyppisten hiukkasten taipumus vetäytyä toisiinsa. Tämä koheesio-”tahmeus” selittää nesteen pintajännityksen. Pintajännitystä voidaan ajatella hyvin ohuena ”ihona”, jossa hiukkaset vetävät toisiaan puoleensa voimakkaammin kuin niitä ympäröivät hiukkaset. Niin kauan kuin nämä vetovoimat ovat häiriöttömiä, ne voivat olla yllättävän voimakkaita. Esimerkiksi veden pintajännitys on riittävän suuri kannattelemaan vesihyppääjän kaltaisen hyönteisen painoa. Vesi on Yhdysvaltain geologisen tutkimuslaitoksen mukaan kaikkein koheesiovoimaisin ei-metallinen neste.
Koheesiovoimat ovat suurimmat nesteen pinnan alapuolella, jossa hiukkaset vetävät toisiaan puoleensa joka puolelta. Pinnalla olevat hiukkaset vetävät voimakkaammin puoleensa nesteen sisällä olevia samanlaisia hiukkasia kuin ympäröivä ilma. Tämä selittää nesteiden taipumuksen muodostaa palloja, eli muodon, jossa on vähiten pinta-alaa. Kun nämä nestepallot vääristyvät painovoiman vaikutuksesta, ne muodostavat klassisen sadepisaran muodon.
Adheesiosta on kyse, kun erityyppisten hiukkasten välillä on vetovoimaa. Nesteen hiukkaset eivät vedä puoleensa ainoastaan toisiaan, vaan ne vetävät yleensä puoleensa myös hiukkasia, jotka muodostavat nestettä sisältävän astian. Nesteen hiukkaset vetäytyvät nesteen pinnan yläpuolelle reunoilla, joissa ne ovat kosketuksissa astian sivuihin.
Koheesio- ja adheesiovoimien yhdistelmä aiheuttaa sen, että useimpien nesteiden pinnalla on pieni kovera käyrä, jota kutsutaan meniskiksi. Tarkin mittaus nesteen tilavuudesta mittapullossa havaitaan tarkastelemalla tämän meniskin pohjaa lähimpänä olevia tilavuusmerkkejä.
Adheesio selittää myös kapillaarisen toiminnan, kun nestettä vedetään hyvin kapeaan putkeen. Yksi esimerkki kapillaaritoiminnasta on, kun joku ottaa verinäytteen koskettamalla pientä lasiputkea piikitetyn sormen kärjessä olevaan veripisaraan.
Viskositeetti
Viskositeetti mittaa sitä, kuinka paljon neste vastustaa vapaata virtaamista. Hyvin hitaasti virtaavan nesteen sanotaan olevan viskoottisempi kuin helposti ja nopeasti virtaavan nesteen. Aine, jolla on alhainen viskositeetti, katsotaan ohuemmaksi kuin aine, jolla on korkeampi viskositeetti, jonka ajatellaan yleensä olevan paksumpi. Esimerkiksi hunaja on viskoosisempaa kuin vesi. Hunaja on vettä paksumpaa ja virtaa hitaammin. Viskositeettia voidaan yleensä vähentää kuumentamalla nestettä. Lämmitettäessä nesteen hiukkaset liikkuvat nopeammin, jolloin neste virtaa helpommin.
Haihtuminen
Koska nesteen hiukkaset ovat jatkuvassa liikkeessä, ne törmäävät toisiinsa ja astian reunoihin. Tällaiset törmäykset siirtävät energiaa hiukkaselta toiselle. Kun nesteen pinnalla olevaan hiukkaseen siirtyy riittävästi energiaa, se voittaa lopulta pintajännityksen, joka pitää sen kiinni muussa nesteessä. Haihtuminen tapahtuu, kun pintahiukkaset saavat tarpeeksi liike-energiaa poistuakseen järjestelmästä. Kun nopeammat hiukkaset pakenevat, jäljelle jäävien hiukkasten keskimääräinen liike-energia pienenee, ja nesteen lämpötila jäähtyy. Tätä ilmiötä kutsutaan haihtumisjäähtymiseksi.
Haihtuvuus
Haihtuvuuden voidaan ajatella tarkoittavan sitä, kuinka todennäköisesti aine höyrystyy normaalissa lämpötilassa. Haihtuvuus on useammin nesteiden ominaisuus, mutta jotkut erittäin haihtuvat kiinteät aineet voivat sublimoitua normaalissa huoneenlämmössä. Sublimoituminen tapahtuu, kun aine siirtyy suoraan kiinteästä aineesta kaasuksi kulkematta nestemäisen tilan kautta.
Kun neste haihtuu suljetussa astiassa, hiukkaset eivät pääse poistumaan järjestelmästä. Osa haihtuneista hiukkasista joutuu lopulta kosketuksiin jäljelle jäävän nesteen kanssa ja menettää tarpeeksi energiaa tiivistyäkseen takaisin nesteeksi. Kun haihtumisnopeus ja tiivistymisnopeus ovat samat, nesteen määrä ei vähene nettomääräisesti.
Höyryn ja nesteen tasapainon aiheuttamaa painetta suljetussa astiassa kutsutaan höyrynpaineeksi. Suljetun systeemin lämpötilan nostaminen nostaa höyrynpainetta Purduen yliopiston kemian laitoksen mukaan. Aineet, joilla on korkea höyrynpaine, voivat muodostaa suljetussa järjestelmässä nesteen yläpuolelle suuren kaasuhiukkaspitoisuuden. Tämä voi olla palovaara, jos höyry on syttyvää. Pienikin kipinä, jopa kaasuhiukkasten välisestä kitkasta johtuva kipinä, voi riittää aiheuttamaan katastrofaalisen tulipalon tai jopa räjähdyksen. Yhdysvaltain työterveys- ja työturvallisuusvirasto (OSHA) edellyttää, että materiaaliturvallisuus- ja käyttöturvallisuustiedotteissa annetaan tietoja nesteiden haihtuvuudesta ja syttyvyydestä, jotta onnettomuuksia voitaisiin ehkäistä.
Lisätietoa
- Floridan osavaltionyliopiston kemia & Biokemia: Nesteiden ominaisuudet
- Chem4Kids.com: USGS Water Science School
The USGS Water Science School