11.3 Sifat Cairan

Gaya antarmolekul memunculkan sejumlah fitur struktural dan sifat cairan. Pada bagian ini kita akan melihat dua fenomena yang berhubungan dengan cairan secara umum: tegangan permukaan dan viskositas. Kemudian kita akan membahas struktur dan sifat air.

Gambar 11.8 Gaya antarmolekul yang bekerja 

pada sebuah molekul di lapisan permukaan cairan 

dan di wilayah interior cairan.

Tegangan Permukaan
Molekul di dalam cairan ditarik ke segala arah oleh gaya antarmolekul; tidak ada kecenderungan bagi molekul-molekul untuk ditarik dengan satu cara. Namun, molekul di permukaan ditarik ke bawah dan ke samping oleh molekul lain, tetapi tidak menjauh dari permukaan (Gambar 11.8). Gaya tarik antarmolekul ini dengan demikian cenderung menarik molekul ke dalam cairan dan menyebabkan permukaan menegang seperti film elastis. Karena ada sedikit atau tidak ada tarikan antara molekul air polar dan, katakanlah, molekul lilin nonpolar pada mobil baru yang dilapisi lilin, setetes air mengambil bentuk manik bundar kecil, karena bentuk bola meminimalkan luas permukaan cairan. Permukaan lilin dari apel basah juga menghasilkan efek ini (Gambar 11.9).

Gambar 11.9 Manik-manik air pada apel, 

yang memiliki permukaan lilin.

Ukuran gaya elastis di permukaan zat cair disebut tegangan permukaan. Tegangan permukaan adalah jumlah energi yang dibutuhkan untuk meregangkan atau meningkatkan permukaan zat cair sebesar satuan luas (misalnya sebesar 1 cm²). Cairan yang memiliki gaya antarmolekul yang kuat juga memiliki tegangan permukaan yang tinggi. Jadi, karena ikatan hidrogen, air memiliki tegangan permukaan yang jauh lebih besar daripada kebanyakan cairan lainnya.

Contoh lain dari tegangan permukaan adalah aksi kapiler. Gambar 11.10 (a) menunjukkan air naik secara spontan di dalam tabung kapiler. Segumpal air tipis menempel di dinding tabung kaca. Tegangan permukaan air menyebabkan film ini berkontraksi, dan seperti yang terjadi, ia menarik air ke atas tabung. Dua jenis gaya menghasilkan aksi kapiler. Salah satunya adalah kohesi, yang merupakan daya tarik antarmolekul antara molekul sejenis (dalam hal ini, molekul air). Gaya kedua, yang disebut adhesi, adalah gaya tarik antara molekul yang berbeda, seperti yang ada di air dan di sisi tabung kaca. Jika daya rekat lebih kuat dari kohesi, seperti pada Gambar 11.10 (a), isi tabung akan ditarik ke atas. Proses ini berlanjut hingga gaya perekat seimbang dengan berat air di dalam tabung. Aksi ini sama sekali tidak universal di antara zat cair, seperti yang ditunjukkan Gambar 11.10 (b). Dalam merkuri, kohesi lebih besar daripada adhesi antara merkuri dan kaca, sehingga ketika tabung kapiler dicelupkan ke dalam merkuri, hasilnya berkurang atau terjadi penurunan pada merkuri — yaitu, ketinggian cairan dalam tabung kapiler berada di bawah permukaan merkuri.

Gambar 11.10 a) Ketika adhesi lebih besar dari kohesi, cairan (misalnya, air) naik ke dalam tabung kapiler. (b) Ketika kohesi lebih besar dari adhesi, seperti pada merkuri, penurunan cairan dalam tabung kapiler terjadi. Perhatikan bahwa meniskus di dalam tabung air itu cekung, atau membulat ke bawah, sedangkan di dalam tabung air raksa berbentuk cembung, atau dibulatkan ke atas.

Viskositas

Viskositas adalah ukuran ketahanan fluida terhadap aliran. Semakin besar viskositasnya, semakin lambat cairan mengalir. Viskositas cairan biasanya menurun dengan meningkatnya suhu; dengan demikian, cairan panas mengalir lebih cepat daripada cairan dingin.

Cairan yang memiliki gaya antarmolekul kuat memiliki viskositas lebih tinggi daripada yang memiliki gaya antarmolekul lemah (Tabel 11.3). Air memiliki viskositas yang lebih tinggi daripada banyak cairan lain karena kemampuannya membentuk ikatan hidrogen. Menariknya, viskositas gliserol secara signifikan lebih tinggi daripada semua cairan lain yang tercantum dalam Tabel 11.3. Gliserol memiliki struktur

Seperti air, gliserol dapat membentuk ikatan hidrogen. Setiap molekul gliserol memiliki tiga gugus -OH yang dapat berpartisipasi dalam ikatan hidrogen dengan molekul gliserol lainnya.

* Satuan SI untuk viskositas adalah newton-sekon per meter kuadrat.

Lebih jauh lagi, karena bentuknya, molekul-molekul memiliki kecenderungan besar untuk terjerat daripada melewati satu sama lain seperti yang dilakukan molekul-molekul cairan yang kurang kental. Interaksi ini berkontribusi pada viskositasnya yang tinggi.

Ulasan Konsep

Mengapa pengendara disarankan untuk menggunakan oli yang lebih kental untuk mesin mereka di musim panas dan oli yang tidak terlalu kental di musim dingin?

Struktur dan Sifat Air
Air adalah zat yang sangat umum di Bumi sehingga kita sering mengabaikan sifat uniknya. Semua proses kehidupan melibatkan air. Air adalah pelarut yang sangat baik untuk banyak senyawa ionik, serta zat lain yang mampu membentuk ikatan hidrogen dengan air.

Seperti yang ditunjukkan Tabel 6.2, air memiliki kalor spesifik yang tinggi. Alasannya adalah untuk menaikkan suhu air (yaitu, untuk meningkatkan energi kinetik rata-rata molekul air), pertama-tama harus diputuskan banyak ikatan hidrogen antarmolekul. Dengan demikian, air dapat menyerap sejumlah besar kalor sementara suhunya hanya naik sedikit. Kebalikannya juga benar: Air dapat mengeluarkan banyak kalor hanya dengan sedikit penurunan suhunya. Untuk alasan ini, sejumlah besar air yang ada di danau dan lautan dapat secara efektif memoderasi iklim di area daratan yang berdekatan dengan menyerap kalor di musim panas dan melepaskan kalor di musim dingin, dengan hanya sedikit perubahan suhu air.

Sifat air yang paling mencolok adalah bahwa bentuk padatnya kurang rapat daripada bentuk cairnya: es mengapung di permukaan air cair. Massa jenis hampir semua zat lain lebih besar dalam bentuk padat daripada dalam bentuk cair (Gambar 11.11).

Gambar 11.11 Kiri: Es batu mengapung di atas air. Kanan: Bensol padat tenggelam ke dasar benzen cair.

Untuk memahami mengapa air berbeda, harus diperiksa struktur elektron dari molekul H₂O. Seperti yang dibahas di Bab 9, ada dua pasang elektron non-ikatan, atau dua pasangan elektron bebas, pada atom oksigen:

Meskipun banyak senyawa dapat membentuk ikatan hidrogen antarmolekul, perbedaan antara H₂O dan molekul polar lainnya, seperti NH₃ dan HF, adalah bahwa setiap atom oksigen dapat membentuk dua ikatan hidrogen, sama dengan jumlah pasangan elektron bebas pada atom oksigen. Dengan demikian, molekul air bergabung bersama dalam jaringan tiga dimensi yang luas di mana setiap atom oksigen terikat secara tetrahedral pada empat atom hidrogen, dua oleh ikatan kovalen dan dua oleh ikatan hidrogen. Persamaan jumlah atom hidrogen dan pasangan elektron bebas ini bukanlah karakteristik NH₃ atau HF atau, dalam hal ini, molekul lain yang mampu membentuk ikatan hidrogen. Akibatnya, molekul-molekul lain ini dapat membentuk cincin atau rantai, tetapi tidak dengan struktur tiga dimensi.

Gambar 11.12 Struktur tiga dimensi es. Setiap atom O terikat pada empat atom H. Ikatan kovalen ditunjukkan oleh garis padat pendek dan ikatan hidrogen yang lebih lemah dengan garis putus-putus panjang antara O dan H. Ruang kosong pada struktur menjelaskan kerapatan es yang rendah.

Gambar 11.13 Plot kerapatan terhadap suhu untuk air cair. 

Kerapatan maksimum air dicapai pada 4 °C. 

Massa jenis es pada 0 °C adalah sekitar 0,92 g/cm³.

Struktur tiga dimensi es yang sangat teratur (Gambar 11.12) mencegah molekul-molekul agar tidak terlalu dekat satu sama lain. Tetapi pertimbangkan apa yang terjadi ketika es mencair. Pada titik leleh, sejumlah molekul air memiliki energi kinetik yang cukup untuk melepaskan ikatan hidrogen antarmolekul. Molekul-molekul ini terperangkap di rongga struktur tiga dimensi, yang dipecah menjadi kelompok-kelompok yang lebih kecil. Akibatnya, ada lebih banyak molekul per satuan volume di air cair daripada di es. Jadi, karena massa jenis = massa/volume, massa jenis air lebih besar daripada massa jenis es. Dengan pemanasan lebih lanjut, lebih banyak molekul air yang dilepaskan dari ikatan hidrogen antarmolekul, sehingga massa jenis air cenderung meningkat dengan kenaikan suhu tepat di atas titik leleh. Tentunya pada saat yang sama air mengembang saat dipanaskan sehingga massa jenisnya menurun. Kedua proses ini — terperangkapnya molekul air bebas dalam rongga dan pemuaian termal — bertindak dalam arah yang berlawanan. Dari 0 °C hingga 4 °C, perangkap berlaku dan air menjadi semakin padat. Namun, di luar 4 °C, ekspansi termal mendominasi dan kerapatan air menurun dengan meningkatnya suhu (Gambar 11.13).