KAPILÁRNOSŤ: CHARAKTERISTIKA A PRÍKLAD VO VODE - CHÉMIA - 2025

Kapilarita je vlastnosť kvapalín, ktoré im umožňuje pohyb rúrkových otvorov alebo poréznych povrchov aj proti gravitácii. Z tohto dôvodu musí existovať rovnováha a koordinácia dvoch síl súvisiacich s molekulami kvapaliny: súdržnosť a adhézia; tieto dva majú fyzikálny odraz nazývaný povrchové napätie.

Kvapalina musí byť schopná zvlhčiť vnútorné steny trubice alebo póry materiálu, ktorým prechádza. K tomu dôjde, keď je adhézna sila (kvapalina-kapilárna rúrka stena) väčšia ako medzimolekulová kohézna sila. V dôsledku toho molekuly kvapaliny vytvárajú silnejšie interakcie s atómami materiálu (sklo, papier atď.) Ako medzi sebou.

Zdroj: MesserWoland prostredníctvom Wikipédie

Klasický príklad kapilár je ilustrovaný pri porovnaní tejto vlastnosti dvoch veľmi odlišných kvapalín: vody a ortuti.

Na obrázku vyššie je vidieť, že voda stúpa po stenách rúrky, čo znamená, že má väčšie adhézne sily; zatiaľ čo pri ortuti sa opak opakuje, pretože jej kohézne sily, kovové väzby, bránia zmáčaniu skla.

Z tohto dôvodu voda tvorí konkávny meniskus a ortuť konvexný (kupolovitý) meniskus. Malo by sa tiež poznamenať, že čím menší je polomer rúrky alebo prierezu, ktorým kvapalina prechádza, tým väčšia je výška alebo prejdená vzdialenosť (porovnajte výšky vodných stĺpcov pre obe rúrky).

Kapilárne charakteristiky

- povrch kvapaliny

Povrch kvapaliny, napríklad vody, v kapiláre je konkávny; to znamená, že meniskus je konkávny. Táto situácia nastáva, pretože výsledné sily vyvíjané na molekuly vody v blízkosti steny rúrky sú nasmerované k nej.

V každom menisku je kontaktný uhol (9), čo je uhol tvorený stenou kapilárnej rúrky s priamkou dotýkajúcou sa povrchu kvapaliny v bode kontaktu.

Adhézne a kohézne sily

Ak priľnavá sila kvapaliny na kapilárnu stenu prevláda nad medzimolekulovou kohéznou silou, potom je uhol 9 <90 °; tekutina zvlhčuje kapilárnu stenu a voda stúpa kapilárou, pričom pozoruje jav známy ako kapilárnosť.

Keď sa kvapka vody umiestni na povrch čistého pohára, voda sa rozprestrie po pohári, takže θ = 0 a cos θ = 1.

Ak intermolekulárna kohézna sila prevláda nad adhéznou silou steny kapilárnej tekutiny, napríklad v prípade ortuti, meniskus bude vypuklý a uhol 9 bude mať hodnotu> 90 °; ortuť nezmáča kapilárnu stenu, a preto steká po svojej vnútornej stene.

Keď sa kvapka ortuti umiestni na povrch čistého pohára, kvapka si zachová svoj tvar a uhol θ = 140 °.

-výška

Voda stúpa cez kapilárnu rúrku, kým nedosiahne výšku (h), v ktorej hmotnosť vodného stĺpca kompenzuje vertikálnu zložku medzimolekulovej kohéznej sily.

Čím viac vody stúpa, príde bod, v ktorom gravitácia zastaví svoj vzostup, dokonca aj keď povrchové napätie bude pracovať v váš prospech.

Keď sa to stane, molekuly nemôžu ďalej „liezť“ na vnútorné steny a všetky fyzické sily sa vyrovnávajú. Na jednej strane máte sily, ktoré podporujú stúpanie vody, a na druhej strane vaša váha tlačí nadol.

Jurinov zákon

Môže to byť napísané matematicky takto:

2 rrcosθ = ρgπr ² h

Ak ľavá strana rovnice závisí od povrchového napätia, ktorého veľkosť súvisí aj s kohéznymi alebo medzimolekulovými silami; Cosθ predstavuje kontaktný uhol a r polomer otvoru, cez ktorý stúpa kvapalina.

A na pravej strane rovnice je výška h, sila gravitácie g a hustota kvapaliny; čo by bola voda.

Riešenie potom máme

h = (2ϒcosθ / ρgr)

Táto formulácia je známa ako Jurinov zákon, ktorý definuje výšku dosiahnutú stĺpcom kvapaliny v kapilárnej rúrke, keď je hmotnosť stĺpca kvapaliny vyvážená silou vzostupu kapilárnym pôsobením.

-Povrchové napätie

Voda je dipólová molekula v dôsledku elektronegativity atómu kyslíka a jeho molekulárnej geometrie. To spôsobuje, že časť molekuly vody, v ktorej sa nachádza kyslík, sa stáva záporne nabitým, zatiaľ čo časť molekuly vody, ktorá obsahuje 2 atómy vodíka, sa nabije pozitívne.

Molekuly v tekutine vďaka tomu interagujú prostredníctvom viacerých vodíkových väzieb, ktoré ich držia pohromade. Molekuly vody, ktoré sú v rozhraní voda: vzduch (povrch), sú však vystavené sieťovej príťažlivosti molekulami sínusu kvapaliny, ktoré nie sú kompenzované slabou príťažlivosťou molekúl vzduchu.

Preto sú molekuly vody na rozhraní vystavené príťažlivej sile, ktorá má tendenciu odstraňovať molekuly vody z rozhrania; inými slovami, vodíkové väzby vytvorené s molekulami na spodnej časti ťahajú tie, ktoré sú na povrchu. Preto sa povrchové napätie snaží zmenšiť povrch rozhrania voda: vzduch.

Vzťah s h

Ak sa pozrieme na Jurinovu rovnicu zákona, zistíme, že h je priamo úmerné ϒ; preto čím vyššie je povrchové napätie kvapaliny, tým väčšia je výška, ktorá môže byť zvýšená kapilárou alebo pórom materiálu.

Týmto spôsobom sa očakáva, že pre dve kvapaliny A a B s rôznymi povrchovými napätiami stúpne kvapalina s väčším povrchovým napätím do vyššej výšky.

Z tohto hľadiska je možné vyvodiť záver, že vysoké povrchové napätie je najdôležitejšou charakteristikou, ktorá definuje kapilárne vlastnosti kvapaliny.

- Rádius kapiláry alebo pórov, cez ktorý stúpa tekutina

Z pozorovania Jurinovho zákona vyplýva, že výška, ktorú kvapalina dosiahne v kapiláre alebo póroch, je nepriamo úmerná jej polomeru.

Preto čím menší je polomer, tým väčšia je výška, ktorú kvapalinový stĺpec dosiahne kapilárnym pôsobením. Toto je možné vidieť priamo na obrázku, kde je voda v porovnaní s ortuťou.

V sklenenej trubici s polomerom 0,05 mm dosiahne vodný stĺpec na kapilárnosť výšku 30 cm. V kapilár o polomere 1 um so sacím tlaku 1,5 x 10 ³ hPa (čo sa rovná 1,5 atm) zodpovedá výpočtu výšky vodného stĺpca 14-15 m.

Je to veľmi podobné tomu, čo sa stane s tým slamkami, ktoré sa viackrát zapnú. Vypitím kvapaliny sa vytvorí tlakový rozdiel, ktorý spôsobí, že tekutina stúpa až k ústam.

Maximálna výška stĺpca dosiahnutá kapilárou je teoretická, pretože polomer kapilár sa nedá znížiť nad určitý limit.

Poiseuilleov zákon

To potvrdzuje, že tok skutočnej kvapaliny je daný nasledujúcim výrazom:

Q = (πr ⁴ / 8ηl) AP

Ak Q je prietok kvapaliny, η je jej viskozita, l je dĺžka trubice a ΔP je tlakový rozdiel.

Keď sa polomer kapiláry zmenšuje, výška kvapalnej kolóny dosiahnutá kapilárou by sa mala donekonečna zvyšovať. Poiseuille však poukazuje na to, že pri zmenšovaní polomeru sa tiež znižuje tok tekutiny cez túto kapiláru.

Viskozita, ktorá je mierou odporu voči toku skutočnej kvapaliny, by ďalej znížila prietok kvapaliny.

- Kontaktný uhol (9)

Čím vyššia je hodnota cosθ, tým väčšia je výška vodného stĺpca na kapilár, ako naznačuje Jurinov zákon.

Ak je 9 malé a blíži sa nule (0), cosθ je = 1, takže hodnota h bude maximálna. Naopak, ak je 9 rovné 90 °, cosθ = 0 a hodnota h = 0.

Ak je hodnota 9 väčšia ako 90 °, čo je prípad konvexného menisku, kvapalina sa nezvýši kapilárou a jej tendencia klesať (ako sa vyskytuje pri ortuti).

Kapilárnosť vody

Voda má hodnotu povrchového napätia 72,75 N / m, relatívne vysokú v porovnaní s hodnotami povrchového napätia nasledujúcich tekutín:

-Acetón: 22,75 N / m

-Etylalkohol: 22,75 N / m

-Hexán: 18,43 N / m

-Metanol: 22,61 N / m.

Voda má preto výnimočné povrchové napätie, ktoré podporuje vývoj javu kapilár, ktorý je potrebný na absorpciu vody a živín rastlinami.

V rastlinách

Zdroj: Pixabay

Kapilárnosť je dôležitým mechanizmom pre výstup miazgy cez xylém rastlín, ale sama osebe nestačí na získanie miazgy k listom stromov.

Transpirácia alebo odparovanie je dôležitým mechanizmom pri výstupe miazgy cez xylém rastlín. Listy strácajú vodu odparovaním, čo vedie k zníženiu množstva molekúl vody, čo spôsobuje príťažlivosť molekúl vody prítomných v kapilárnych trubiciach (xylem).

Molekuly vody nekonajú nezávisle od seba, ale skôr interagujú pomocou Van der Waalsových síl, čo spôsobuje, že stúpajú spolu kapilárami rastlín smerom k listom.

Okrem týchto mechanizmov treba poznamenať, že rastliny absorbujú vodu z pôdy osmózou a že pozitívny tlak generovaný v koreňoch vedie k začiatku nárastu vody cez kapiláry rastliny.

Referencie

1. García Franco A. (2010). Povrchné javy. Získané z: sc.ehu.es
2. Povrchové javy: povrchové napätie a kapilárnosť. , Získané z: ugr.es
3. Wikipedia. (2018). Kapilarita. Obnovené z: es.wikipedia.org
4. Risvhan T. (nd) Kapilita v rastlinách. Získané z: academia.edu
5. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (22. decembra 2018). Kapilárna akcia: Definícia a príklady. Získané z: thinkco.com
6. Ellen Ellis M. (2018). Kapilárne pôsobenie vody: Definícia a príklady. Štúdia. Obnovené z: study.com
7. Zamestnanci ScienceStruck. (16. júla 2017). Príklady, ktoré vysvetľujú koncepciu a význam kapilárnej činnosti. Obnovené z: sciencestruck.com