POVRCHOVÉ NAPÄTIE: PRÍČINY, PRÍKLADY, APLIKÁCIE A EXPERIMENTY - CHÉMIA - 2025

Povrchové napätie je fyzikálna vlastnosť majú všetky tekutiny, a je charakterizovaný tým, odolnosti proti ich povrchy proti akejkoľvek zvýšenie svojho okolia. Je to rovnaké ako tvrdenie, že uvedený povrch bude hľadať najmenšiu možnú oblasť. Tento jav spája niekoľko chemických pojmov, ako sú súdržnosť, adhézia a intermolekulárne sily.

Povrchové napätie je zodpovedné za vytváranie povrchových zakrivení kvapalín v rúrkových nádobách (odmerné valce, kolóny, skúmavky atď.). Môžu byť konkávne (zakrivené v tvare údolia) alebo konvexné (zakrivené v tvare kupoly). Mnoho fyzikálnych javov možno vysvetliť zvážením zmien, ktorým prechádza povrchové napätie kvapaliny.

Sférické tvary, ktoré majú kvapky vody na listoch, sú čiastočne dôsledkom povrchového napätia. Zdroj: fotografia zhotovená používateľom flickr tanakawho

Jedným z týchto javov je tendencia kvapalných molekúl aglomerovať sa vo forme kvapiek, keď spočívajú na povrchoch, ktoré ich odpudzujú. Napríklad kvapky vody, ktoré vidíme na vrchole listov, ich nemôžu zvlhčiť kvôli svojmu voskovitému hydrofóbnemu povrchu.

Príde však čas, keď zohráva svoju úlohu gravitácia a kvapka sa vysype ako stĺpec vody. Podobný jav sa vyskytuje pri sférických kvapkách ortuti, keď sa vyliajú z teplomeru.

Na druhej strane povrchové napätie vody je najdôležitejšie zo všetkých, pretože prispieva a organizuje stav mikroskopických telies vo vodných médiách, ako sú bunky a ich lipidové membrány. Okrem toho je toto napätie zodpovedné za to, že sa voda odparuje pomaly a niektoré telá sú hustejšie, ako môže plávať na svojom povrchu.

Príčiny povrchového napätia

Vysvetlenie javu povrchového napätia je na molekulárnej úrovni. Molekuly tekutiny vzájomne interagujú takým spôsobom, že sú koherentné vo svojich nevyspytateľných pohyboch. Molekula interaguje so svojimi susedmi vedľa nej a so susedmi nad alebo pod ňou.

To sa však nedeje s molekulami na povrchu kvapaliny, ktoré sú v kontakte so vzduchom (alebo s akýmkoľvek iným plynom) alebo s pevnou látkou. Molekuly na povrchu nemôžu kohézne s molekulami vonkajšieho prostredia.

Výsledkom je, že nezažívajú žiadne sily, ktoré by ich ťahali nahor; iba smerom nadol od svojich susedov v tekutom médiu. Aby sa vyrovnala táto nerovnováha, molekuly na povrchu sa „stlačia“, pretože iba týmto spôsobom môžu prekonať silu, ktorá ich tlačí nadol.

Potom sa vytvorí povrch, kde sú molekuly v presnejšom usporiadaní. Ak chce častica preniknúť do kvapaliny, musí najprv prejsť touto molekulárnou bariérou úmernou povrchovému napätiu uvedenej kvapaliny. To isté platí pre časticu, ktorá chce uniknúť do vonkajšieho prostredia z hĺbky kvapaliny.

Jeho povrch sa preto správa, akoby išlo o elastický film, ktorý vykazuje odolnosť proti deformácii.

Jednotky

Povrchové napätie je obvykle reprezentované symbolom y a je vyjadrené v jednotkách N / m, dĺžka sily sily. Väčšinu času je však jednotkou dyn / cm. Jeden môže byť prevedený na druhý pomocou nasledujúceho prevodného faktora:

1 dyn / cm = 0,001 N / m

Povrchové napätie vody

Voda je najvzácnejšia a najúžasnejšia zo všetkých tekutín. Povrchové napätie a niektoré jeho vlastnosti sú nezvyčajne vysoké: 72 dyn / cm pri izbovej teplote. Táto hodnota sa môže zvýšiť na 75,64 dyn / cm pri teplote 0 ° C; alebo znížiť na 58,85 ° C pri teplote 100 ° C.

Tieto pozorovania majú zmysel, ak sa domnievate, že molekulárna bariéra sa sprísňuje ešte viac pri teplotách blízkych mrazu alebo sa „uvoľňuje“ o niečo viac okolo bodu varu.

Voda má vďaka svojim vodíkovým väzbám vysoké povrchové napätie. Ak sú tieto samy osebe viditeľné v tekutine, sú ešte viac na povrchu. Molekuly vody sú silne zapletený, tvoriaci dipól-dipól interakcie H ₂ typu O-HOH.

Molekuly vody sú navzájom priťahované; sú spojené vodíkovými väzbami

To je účinnosť ich interakcií, že vodná molekulárna bariéra môže dokonca podporovať niektoré telá skôr, ako sa potápajú. V častiach aplikácií a experimentov sa vrátime k tomuto bodu.

Ďalšie príklady

Všetky kvapaliny majú povrchové napätie, či už v menšej alebo väčšej miere ako voda, alebo či ide o čisté látky alebo roztoky. Aká silná a napätá sú molekulárne bariéry jej povrchov, bude závisieť priamo od ich intermolekulárnych interakcií, ako aj od štrukturálnych a energetických faktorov.

Kondenzované plyny

Napríklad molekuly plynov v tekutom stave spolu interagujú iba prostredníctvom Londýnskych disperzných síl. To je v súlade so skutočnosťou, že ich povrchové napätie má nízke hodnoty:

- kvapalné hélium, 0,37 dyn / cm pri -273 ° C

- tekutý dusík, 8,85 dyn / cm pri -196 ° C

- Kvapalný kyslík, 13,2 dyn / cm pri -182 ° C

Povrchové napätie tekutého kyslíka je vyššie ako povrchové napätie hélia, pretože jeho molekuly majú väčšiu hmotnosť.

Nepolárne kvapaliny

Očakáva sa, že nepolárne a organické kvapaliny budú mať vyššie povrchové napätie ako tieto kondenzované plyny. Medzi niektorými z nich máme nasledujúce:

- dietyléter, 17 dyn / cm pri 20 ° C

- n-hexán, 18,40 dyn / cm pri 20 ° C

- n-oktán, 21,80 dyn / cm pri 20 ° C

- toluén, 27,73 dyn / cm pri 25 ° C

Podobný trend sa pozoruje pre tieto kvapaliny: povrchové napätie sa zvyšuje so zvyšovaním ich molekulových hmotností. Avšak n-oktán by preto mal mať najvyššie povrchové napätie a nie toluén. Tu prichádzajú do úvahy molekulárne štruktúry a geometrie.

Molekuly toluénu, ploché a kruhové, majú účinnejšie interakcie ako n-oktán. Povrch toluénu je preto „pevnejší“ ako povrch n-oktánu.

Polárne kvapaliny

Pretože medzi molekulami polárnej kvapaliny sú silnejšie interakcie dipól-dipól, majú tendenciu vykazovať vyššie povrchové napätie. Nie je to však vždy tak. Medzi príklady patrí:

- kyselina octová, 27,60 dyn / cm pri 20 ° C

-Acetón, 23,70 dyn / cm pri 20 ° C

- Krv, 55,89 dyn / cm pri 22 ° C

- etanol, 22,27 dyn / cm pri 20 ° C

-Glycerol, 63 dyn / cm pri 20 ° C

- roztavený chlorid sodný, 163 dyn / cm pri 650 ° C

- 6 M roztok NaCl, 82,55 dyn / cm pri 20 ° C

Očakáva sa, že roztavený chlorid sodný bude mať obrovské povrchové napätie - je to viskózna iónová kvapalina.

Na druhej strane je ortuť jednou z kvapalín s najvyšším povrchovým napätím: 487 dyn / cm. V ňom je jeho povrch zložený zo silných kohéznych atómov ortuti, omnoho viac, než môžu byť molekuly vody.

aplikácia

Niektorý hmyz používa povrchové napätie vody, aby po ňom mohol chodiť. Zdroj: Pixabay.

Samotné povrchové napätie nemá uplatnenie. To však neznamená, že sa nezúčastňuje na rôznych denných javoch, ku ktorým by nedošlo, ak by neexistovali.

Napríklad komáre a iný hmyz môžu prechádzať vodou. Je to tak preto, že ich hydrofóbne nohy odpudzujú vodu, zatiaľ čo ich nízka hmotnosť im umožňuje zostať na hladine nad molekulárnou bariérou bez toho, aby klesli na dno rieky, jazera, rybníka atď.

Povrchové napätie tiež zohráva úlohu pri zmáčavosti kvapalín. Čím vyššie je povrchové napätie, tým menšia je jeho tendencia presakovať cez póry alebo praskliny v materiáli. Okrem toho nejde o veľmi užitočné kvapaliny na čistenie povrchov.

detergenty

Tu pôsobia detergenty, ktoré znižujú povrchové napätie vody a pomáhajú jej pokryť väčšie povrchy; pri zlepšovaní jeho odmasťovacieho účinku. Znížením povrchového napätia vytvára priestor pre molekuly vzduchu, s ktorými vytvára bubliny.

emulzie

Na druhej strane nižšie vyššie napätie je spojené so stabilizáciou emulzií, ktoré sú veľmi dôležité pri formulovaní rôznych produktov.

Jednoduché experimenty

Kovová spona plávajúca v dôsledku povrchového napätia vody. Zdroj: Alvesgaspar

Nakoniec budú citované niektoré experimenty, ktoré môžu byť vykonané v akomkoľvek domácom priestore.

Clip experiment

Kovový klip sa umiestni na jeho povrch v pohári so studenou vodou. Ako je vidieť na obrázku vyššie, klip zostane nad vodou vďaka povrchovému napätiu vody. Ak sa však do pohára pridá trochu lávového porcelánu, povrchové napätie dramaticky poklesne a kancelárska sponka sa náhle zníži.

Papierová loďka

Ak máme na povrchu papierovú loď alebo drevenú paletu a ak sa do hlavy tampónu pridá umývačka riadu alebo saponát, objaví sa zaujímavý jav: dôjde k odporu, ktorý ich rozšíri smerom k okrajom pohára. Papierová loď a drevená paleta sa presunú preč z tampónu rozmazaného čistiacim prostriedkom.

Ďalší podobný a grafickejší experiment spočíva v opakovaní tej istej operácie, ale v vedre s vodou posypanou čiernym korením. Častice čierneho korenia sa odtrhnú a povrch sa zmení z korenia pokrytého na krištáľovo číre, s korením na okrajoch.

Referencie

1. Whitten, Davis, Peck a Stanley. (2008). chémia (8. vydanie). CENGAGE Learning.
2. Wikipedia. (2020). Povrchové napätie. Obnovené z: en.wikipedia.org
3. USGS. (SF). Povrchové napätie a voda. Obnovené z: usgs.gov
4. Jones, Andrew Zimmerman. (12. februára 2020). Povrchové napätie - definícia a experimenty. Získané z: thinkco.com
5. Susanna Laurén. (15. novembra 2017). Prečo je dôležité povrchové napätie? Biolin Scientific. Obnovené z: blog.biolinscientific.com
6. Rookie Parenting Science. (7. novembra 2019). Čo je povrchové napätie - experiment vedy v pohode. Obnovené z: rookieparenting.com
7. Jessica Munk. (2020). Experimenty povrchového napätia. Štúdia. Obnovené z: study.com
8. To by malo vidieť dieťa. (2020). Sedem experimentov povrchového napätia - Physics Girl. Obnovené z: thekidshouldseethis.com