Der flüssige Zustand der Materie ist eine Zwischenphase zwischen Feststoff und Gas. Wie die Teilchen eines Festkörpers unterliegen auch die Teilchen in einer Flüssigkeit der zwischenmolekularen Anziehung; allerdings haben die Flüssigkeitsteilchen mehr Platz zwischen sich, so dass sie nicht in ihrer Position fixiert sind. Die Anziehungskraft zwischen den Teilchen in einer Flüssigkeit hält das Volumen der Flüssigkeit konstant.
Die Bewegung der Teilchen bewirkt, dass die Flüssigkeit in ihrer Form variabel ist. Flüssigkeiten fließen und füllen den untersten Teil eines Behälters, wobei sie die Form des Behälters annehmen, aber ihr Volumen nicht verändern. Der begrenzte Raum zwischen den Teilchen bedeutet, dass Flüssigkeiten nur eine sehr begrenzte Kompressibilität haben.
Kohäsion und Adhäsion
Kohäsion ist die Tendenz, dass gleichartige Teilchen zueinander hingezogen werden. Diese kohäsive „Klebrigkeit“ ist für die Oberflächenspannung einer Flüssigkeit verantwortlich. Die Oberflächenspannung kann man sich als eine sehr dünne „Haut“ von Teilchen vorstellen, die sich stärker zueinander hingezogen fühlen als zu den sie umgebenden Teilchen. Solange diese Anziehungskräfte ungestört sind, können sie erstaunlich stark sein. Die Oberflächenspannung von Wasser ist zum Beispiel groß genug, um das Gewicht eines Insekts wie eines Wasserspringers zu tragen. Nach Angaben des U.S. Geological Survey ist Wasser die kohäsivste nichtmetallische Flüssigkeit.
Die Kohäsionskräfte sind unter der Oberfläche der Flüssigkeit am größten, wo sich die Teilchen von allen Seiten anziehen. Die Teilchen an der Oberfläche werden von den gleichen Teilchen innerhalb der Flüssigkeit stärker angezogen als von der sie umgebenden Luft. Dies erklärt die Tendenz von Flüssigkeiten, Kugeln zu bilden, die Form mit der geringsten Oberfläche. Wenn diese Flüssigkeitskugeln durch die Schwerkraft verzerrt werden, bilden sie die klassische Regentropfenform.
Adhäsion bedeutet, dass Anziehungskräfte zwischen verschiedenen Arten von Teilchen bestehen. Die Teilchen einer Flüssigkeit werden nicht nur voneinander angezogen, sondern im Allgemeinen auch von den Teilchen, aus denen der Behälter besteht, in dem sich die Flüssigkeit befindet. Die Teilchen der Flüssigkeit werden an den Rändern, wo sie mit den Seiten des Behälters in Berührung kommen, über die Oberfläche der Flüssigkeit hinaus angezogen.
Die Kombination von Kohäsions- und Adhäsionskräften führt dazu, dass an der Oberfläche der meisten Flüssigkeiten eine leichte konkave Wölbung, der so genannte Meniskus, entsteht. Die genaueste Messung des Volumens einer Flüssigkeit in einem Messzylinder erfolgt an den Volumenmarken, die dem Boden dieses Meniskus am nächsten sind.
Adhäsion ist auch für die Kapillarwirkung verantwortlich, wenn eine Flüssigkeit in ein sehr enges Rohr gesaugt wird. Ein Beispiel für Kapillarwirkung ist die Entnahme einer Blutprobe durch Berühren eines winzigen Glasröhrchens mit dem Blutstropfen an der Spitze eines gestochenen Fingers.
Viskosität
Die Viskosität ist ein Maß dafür, wie sehr sich eine Flüssigkeit dem freien Fließen widersetzt. Eine Flüssigkeit, die sehr langsam fließt, gilt als zähflüssiger als eine Flüssigkeit, die leicht und schnell fließt. Eine Substanz mit niedriger Viskosität wird als dünner angesehen als eine Substanz mit höherer Viskosität, die normalerweise als dicker angesehen wird. Honig ist zum Beispiel zähflüssiger als Wasser. Honig ist dicker als Wasser und fließt langsamer. Die Viskosität kann normalerweise durch Erhitzen der Flüssigkeit verringert werden. Wenn sie erhitzt wird, bewegen sich die Teilchen der Flüssigkeit schneller, so dass die Flüssigkeit leichter fließen kann.
Verdampfung
Da die Teilchen einer Flüssigkeit ständig in Bewegung sind, stoßen sie miteinander und mit den Seiten des Behälters zusammen. Bei solchen Zusammenstößen wird Energie von einem Teilchen auf ein anderes übertragen. Wenn genügend Energie auf ein Teilchen an der Oberfläche der Flüssigkeit übertragen wird, überwindet es schließlich die Oberflächenspannung, die es am Rest der Flüssigkeit festhält. Die Verdampfung tritt ein, wenn die Teilchen an der Oberfläche genügend kinetische Energie gewinnen, um dem System zu entkommen. Wenn die schnelleren Teilchen entweichen, haben die verbleibenden Teilchen eine geringere durchschnittliche kinetische Energie, und die Temperatur der Flüssigkeit kühlt ab. Dieses Phänomen wird als Verdunstungskühlung bezeichnet.
Flüchtigkeit
Die Flüchtigkeit gibt an, wie wahrscheinlich es ist, dass ein Stoff bei normalen Temperaturen verdampft. Die Flüchtigkeit ist eher eine Eigenschaft von Flüssigkeiten, aber einige sehr flüchtige Feststoffe können bei normaler Raumtemperatur sublimieren. Sublimation liegt vor, wenn eine Substanz direkt vom festen in den gasförmigen Zustand übergeht, ohne den flüssigen Zustand zu durchlaufen.
Wenn eine Flüssigkeit in einem geschlossenen Behälter verdampft, können die Teilchen nicht aus dem System entweichen. Einige der verdampften Teilchen werden schließlich mit der verbleibenden Flüssigkeit in Kontakt kommen und genug Energie verlieren, um wieder in die Flüssigkeit zu kondensieren. Wenn die Verdampfungsrate und die Kondensationsrate gleich sind, kommt es zu keiner Nettoabnahme der Flüssigkeitsmenge.
Der Druck, der durch das Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewicht in dem geschlossenen Behälter ausgeübt wird, wird als Dampfdruck bezeichnet. Erhöht man die Temperatur des geschlossenen Systems, steigt der Dampfdruck, so die Chemieabteilung der Purdue University. Stoffe mit hohem Dampfdruck können in einem geschlossenen System eine hohe Konzentration von Gasteilchen über der Flüssigkeit bilden. Dies kann eine Brandgefahr darstellen, wenn die Dämpfe brennbar sind. Jeder noch so kleine Funke, der durch die Reibung zwischen den Gaspartikeln selbst entsteht, kann ausreichen, um einen katastrophalen Brand oder sogar eine Explosion auszulösen. Die U.S. Occupational Safety and Health Administration (OSHA) schreibt vor, dass Sicherheits- und Datenblätter Informationen über die Flüchtigkeit und Entflammbarkeit von Flüssigkeiten enthalten müssen, um Unfälle zu vermeiden.
Weiterführende Literatur
- Florida State University Chemistry & Biochemistry: Eigenschaften von Flüssigkeiten
- Chem4Kids.com: Flüssigkeitsgrundlagen
- Die USGS Water Science School