KAPILARNOST: ZNAČILNOSTI IN PRIMER V VODI - KEMIJA - 2026

Kapilarna je lastnost tekočin, ki jim omogoča premikanje cevastih lukenj ali poroznih površin celo proti težnosti. Za to morata obstajati ravnovesje in koordinacija dveh sil, povezanih z molekulami tekočine: kohezije in adhezije; ta dva imata fizični odboj, ki se imenuje površinska napetost.

Tekočina mora biti sposobna zmočiti notranje stene cevi ali pore materiala, skozi katere potuje. Do tega pride, ko je sila adhezije (tekoče-kapilarna cev stena) večja od medmolekulske kohezijske sile. Posledično molekule tekočine ustvarjajo močnejše interakcije z atomi materiala (steklo, papir itd.) Kot med seboj.

Vir: MesserWoland prek Wikipedije

Klasični primer kapilarnosti je prikazan v primerjavi te lastnosti dveh zelo različnih tekočin: vode in živega srebra.

Na zgornji sliki je razvidno, da voda dvigne stene cevi, kar pomeni, da ima večje adhezijske sile; medtem ko se z živim srebrom zgodi ravno obratno, ker kohezijske sile kovinske vezi preprečujejo, da bi steklo zmočilo.

Zaradi tega voda tvori konkavni meniskus, živo srebro pa konveksni meniskus v obliki kupole. Upoštevati je treba tudi, da je manjši polmer cevi ali odseka, skozi katerega tekočina potuje, večja je višina ali prevožena razdalja (primerjajte višine vodnih stebrov za obe cevi).

Kapilarne značilnosti

-Površina tekočine

Površina tekočine, recimo vode, v kapilari je konkavna; to je meniskus konkaven. Do te situacije pride, ker je rezultat sil, ki delujejo na molekule vode v bližini stene cevi, usmerjen proti njej.

V vsakem menisku je kontaktni kot (θ), ki je kot, ki ga tvori stena kapilarne cevi s črto, ki je tangenta na površini tekočine na mestu stika.

Adhezijske in kohezijske sile

Če sila oprijema tekočine na kapilarno steno prevlada nad medmolekularno kohezijsko silo, potem je kot θ <90 °; tekočina zmoči kapilarno steno in voda se dviga skozi kapilaro, pri čemer opazuje pojav, znan kot kapilarnost.

Ko na površino čistega kozarca položimo kapljico vode, se voda razširi po kozarcu, zato sta θ = 0 in cos θ = 1.

Če medmolekulska kohezijska sila prevlada nad adhezijsko silo tekoče-kapilarne stene, na primer v živem srebru, bo meniskus konveksen in kot θ bo imel vrednost> 90 °; živo srebro ne zmoči kapilarne stene in zato teče po njeni notranji steni.

Ko kapljico živega srebra položimo na površino čistega kozarca, kapljica ohrani svojo obliko in kot θ = 140º.

-Visokost

Voda se dviga skozi kapilarno cev, dokler ne doseže višine (h), v kateri teža vodnega stolpca kompenzira navpično komponento medmolekulske kohezijske sile.

Ko se bo več vode dvigovalo, bo prišla točka, ko bo gravitacija ustavila svoj vzpon, tudi če površinska napetost deluje v vašo korist.

Ko se to zgodi, molekule ne morejo še naprej "splezati" po notranjih stenah in vse fizične sile se izenačijo. Na eni strani imate sile, ki spodbujajo dvig vode, na drugi pa svojo lastno težo, ki jo potiska.

Jurinov zakon

To lahko zapišemo matematično na naslednji način:

2 π rϒcosθ = ρgπr ² h

Kjer je leva stran enačbe odvisna od površinske napetosti, katere obseg je povezan tudi s kohezijsko ali medmolekulsko silo; Cosθ predstavlja kontaktni kot in r polmer luknje, skozi katero se tekočina dvigne.

Na desni strani enačbe imamo višino h, silo gravitacije g in gostoto tekočine; kar bi bila voda.

Reševanje potem za h imamo

h = (2ϒcosθ / ρgr)

Ta formulacija je znana kot Jurinov zakon, ki določa višino, ki jo doseže steber tekočine, v kapilarni cevi, ko se teža kolona tekočine uravnoteži s silo vzpona s kapilarnim delovanjem.

-Površinska napetost

Voda je dipolna molekula, zaradi elektronegativnosti kisikovega atoma in njegove molekularne geometrije. Zaradi tega se del molekule vode, kjer se nahaja kisik, negativno napolni, medtem ko del molekule vode, ki vsebuje 2 vodikova atoma, postane pozitivno nabit.

Zahvaljujoč temu molekule v tekočini medsebojno delujejo skozi več vodikovih vezi in jih držijo skupaj. Vendar so molekule vode, ki so v vodi: zračni vmesnik (površina), molekul sinusne tekočine podvržene neto privlačnosti, ki je ne nadomešča šibka privlačnost z molekulami zraka.

Zato so molekule vode na vmesniku izpostavljene privlačni sili, ki ponavadi odstrani molekule vode z vmesnika; z drugimi besedami, vodikove vezi, ki so nastale z molekulami na dnu, vlečejo tiste, ki so na površini. Tako poskuša površinska napetost zmanjšati površino vmesnika voda: zrak.

Odnos s h

Če pogledamo Jurinovo enačbo zakona, bomo ugotovili, da je h neposredno sorazmeren z ϒ; zato je višja površinska napetost tekočine, večja je višina, ki jo lahko dvigne kapilar ali pore materiala.

Na ta način se pričakuje, da se bo za dve tekočini, A in B, z različnimi površinskimi napetostmi, tista z večjo površinsko napetostjo dvignila na večjo višino.

Glede na to lahko sklepamo, da je visoka površinska napetost najpomembnejša lastnost, ki opredeljuje kapilarno lastnost tekočine.

-Radius kapilare ali pore, skozi katero se tekočina dvigne

Opazovanje Jurinovega zakona kaže, da je višina, ki jo tekočina doseže v kapilari ali porah, obratno sorazmerna s polmerom istega.

Zato je manjši polmer, večja je višina, ki jo tekoči stolpec doseže s kapilarnim delovanjem. To lahko vidimo neposredno na sliki, kjer se voda primerja z živosrebrno.

V stekleni cevi s polmerom 0,05 mm bo vodni stolpec na kapilaro dosegel višino 30 cm. V kapilarnih ceveh s polmerom 1 µm s sesalnim tlakom 1,5 x 10 ³ hPa (kar je enako 1,5 atm) ustreza izračunu višine vodnega stolpca od 14 do 15 m.

To je zelo podobno, kot se zgodi s tistimi slamicami, ki se večkrat vklopijo. Sipanje tekočine ustvari razliko v tlaku, zaradi katere se tekočina dvigne do ust.

Najvišja vrednost višine stebra, ki jo doseže kapilarnost, je teoretična, saj polmera kapilar ni mogoče zmanjšati preko določene meje.

Poiseuillov zakon

Iz tega se ugotovi, da se pretok prave tekočine poda z naslednjim izrazom:

Q = (πr ⁴ / 8ηl) ΔP

Kjer je Q pretok tekočine, je η njegova viskoznost, l je dolžina cevi in ​​ΔP razlika tlaka.

Ko se polmer kapilare zmanjšuje, se mora višina stebra tekočine, ki jo doseže kapilara, v nedogled povečevati. Vendar Poiseuille poudarja, da se s polmerom zmanjšuje tudi pretok tekočine skozi to kapilaro.

Prav tako bi viskoznost, ki je merilo odpornosti proti toku resnične tekočine, še bolj zmanjšala pretok tekočine.

-Kontaktni kot (θ)

Večja kot je vrednost cosθ, večja je višina vodnega stolpca na kapilarnost, kot kaže Jurin zakon.

Če je θ majhen in se približa ničli (0), je cosθ = 1, zato bo vrednost h največja. Nasprotno, če je θ enak 90 °, je cosθ = 0 in vrednost h = 0.

Kadar je vrednost θ večja od 90 °, kar velja za konveksni meniskus, se tekočina ne dvigne po kapilarnosti in se nagiba k spuščanju (kot se to dogaja z živim srebrom).

Kapilarnost vode

Voda ima površinsko napetost 72,75 N / m, relativno visoko v primerjavi z vrednostmi za površinsko napetost naslednjih tekočin:

-Aceton: 22,75 N / m

-Etilni alkohol: 22,75 N / m

-Heksan: 18,43 N / m

-Metanol: 22,61 N / m.

Zato ima voda izjemno površinsko napetost, kar spodbuja razvoj pojava kapilarnosti, ki je potreben za absorpcijo vode in hranilnih snovi v rastlinah.

V rastlinah

Vir: Pixabay

Kapilarnost je pomemben mehanizem za vzpon soka skozi ksilem rastlin, sam po sebi pa je premajhen, da bi sek dobil na liste dreves.

Transpiracija ali izhlapevanje je pomemben mehanizem pri vzponu soka skozi ksilem rastlin. Listi z izhlapevanjem izgubijo vodo, kar povzroči zmanjšanje količine molekul vode, kar povzroči privlačnost molekul vode, ki so prisotne v kapilarah (ksilem).

Molekule vode ne delujejo neodvisno ena od druge, temveč bolj medsebojno delujejo s silami Van der Waals, kar povzroči, da se prek kapilar rastlin proti listi uležejo.

Poleg teh mehanizmov je treba opozoriti, da rastline absorbirajo vodo iz tal z osmozo in da pozitiven tlak, ustvarjen v korenu, poganja začetek dviga vode skozi kapilare rastline.

Reference

1. García Franco A. (2010). Površinski pojavi. Pridobljeno: sc.ehu.es
2. Površinski pojavi: površinska napetost in kapilarnost. . Pridobljeno: ugr.es
3. Wikipedija. (2018). Kapilarnost. Pridobljeno: es.wikipedia.org
4. Risvhan T. (nd) Kapilarnost v rastlinah. Pridobljeno: akademia.edu
5. Helmenstine, Anne Marie, dr. (22. december 2018). Kapilarno dejanje: definicija in primeri. Pridobljeno: misel.com
6. Ellen Ellis M. (2018). Kapilarno delovanje vode: definicija in primeri. Študij. Pridobljeno: study.com
7. Osebje ScienceStruck. (16. julij 2017). Primeri, ki pojasnjujejo koncept in pomen kapilarnega delovanja. Pridobljeno: sciencestruck.com