POVRŠINSKA NAPETOST: VZROKI, PRIMERI, APLIKACIJE IN POSKUSI - KEMIJA - 2025

Površinska napetost je fizikalna lastnost imajo vse tekočine, ki je označen z odpornostjo na njihove površine nasprotovati povečanja svojem območju. To je isto kot reči, da bo omenjena površina iskala najmanjšo možno površino. Ta pojav prepleta več kemijskih konceptov, kot so kohezija, adhezija in medmolekulske sile.

Površinska napetost je odgovorna za nastanek površinskih ukrivljenosti tekočin v cevastih posodah (diplomirani valji, stebri, epruvete itd.). Te so lahko konkavne (ukrivljene v obliki doline) ali konveksne (ukrivljene v obliki kupole). Številne fizikalne pojave je mogoče razložiti z upoštevanjem sprememb, ki jih površinska napetost podvrže.

Sferične oblike, ki jih kapljice vode prevzamejo na listih, so delno posledica njihove površinske napetosti. Vir: fotografija, ki jo je posnel uporabnik flickr tanakawho

Eden od teh pojavov je nagnjenost tekočih molekul k aglomeraciji v obliki kapljic, ko počivajo na površinah, ki jih odbijajo. Na primer, kapljice vode, ki jih vidimo na listih, zaradi voskaste hidrofobne površine ne morejo zmočiti.

Vendar pride čas, ko gravitacija igra svojo vlogo in kaplja se razlije kot stolpec vode. Podoben pojav se pojavi v sferičnih kapljicah živega srebra, ko jih razlijemo s termometrom.

Po drugi strani je najpomembnejša površinska napetost vode, saj prispeva in organizira stanje mikroskopskih teles v vodnih medijih, kot so celice in njihove lipidne membrane. Poleg tega je ta napetost kriva za dejstvo, da voda izhlapi počasi, nekatera telesa pa so gostejša, kot da lahko plavajo na njeni površini.

Vzroki za površinsko napetost

Razlaga pojava površinske napetosti je na molekularni ravni. Molekule tekočine medsebojno delujejo tako, da so v svojih zmotnih gibih kohezivne. Molekula sodeluje s svojimi sosedi ob njej in s tistimi nad ali pod njo.

Vendar se to ne zgodi enako z molekulami na površini tekočine, ki so v stiku z zrakom (ali katerim koli drugim plinom) ali s trdno snovjo. Molekule na površini se ne morejo kohezirati z zunanjimi.

Posledično ne doživljajo nobenih sil, ki bi jih potegnile navzgor; samo navzdol, od sosedov v tekočem mediju. Da bi preprečili to neravnovesje, se molekule na površini "stisnejo", saj le tako lahko premagajo silo, ki jih potisne navzdol.

Nato se ustvari površina, kjer so molekule bolj napete. Če želi delček prodreti v tekočino, mora najprej preiti to molekulsko pregrado, sorazmerno s površinsko napetostjo omenjene tekočine. Enako velja za delec, ki želi pobegniti v zunanje okolje iz globin tekočine.

Zato se njegova površina obnaša, kot da bi bil elastičen film, ki kaže odpornost na deformacije.

Enote

Površinska napetost je ponavadi predstavljena s simbolom γ in je izražena v enotah N / m, dolžina sile. Vendar je večino časa njegova enota dyn / cm. Enega lahko pretvorimo v drugega z naslednjim pretvorbenim faktorjem:

1 dyn / cm = 0,001 N / m

Površinska napetost vode

Voda je najredkejša in najbolj neverjetna od vseh tekočin. Njegova površinska napetost, pa tudi številne njegove lastnosti so nenavadno visoke: 72 dyn / cm pri sobni temperaturi. Ta vrednost se pri temperaturi 0 ° C lahko poveča na 75,64 dyn / cm; ali zniža na 58,85 ºC, pri temperaturi 100 ºC.

Ta opažanja so smiselna, če upoštevate, da se molekulska pregrada pri temperaturah, ki so blizu zmrzovanju, še bolj zategne ali pa se nekoliko bolj zrahlja okoli vrelišča.

Voda ima visoko površinsko napetost zaradi vodikovih vezi. Če so te same po sebi opazne znotraj tekočine, so še toliko bolj na površini. Molekule vode so močno zapletene in tvorijo dipol-dipolne interakcije tipa H ₂ O-HOH.

Molekule vode se med seboj privlačijo; so povezane z vodikovimi vezmi

Takšna je učinkovitost njihovih medsebojnih vplivov, da lahko vodna molekulska pregrada celo podpre neka telesa, preden se potopijo. V razdelkih o aplikacijah in poskusih se bomo vrnili k temu.

Drugi primeri

Vse tekočine predstavljajo površinsko napetost, bodisi v manjši ali večji stopnji kot voda ali pa so to čiste snovi ali raztopine. Kako močne in napete so molekularne ovire njegovih površin, bo neposredno odvisno od njihovih medmolekulskih interakcij, pa tudi od strukturnih in energetskih dejavnikov.

Kondenzirani plini

Na primer, molekule plinov v tekočem stanju medsebojno delujejo le z londonskimi disperzivnimi silami. To je skladno z dejstvom, da imajo njihove površinske napetosti nizke vrednosti:

-Tekoči helij, 0,37 dyn / cm pri -273 ºC

-Tekoči dušik, 8,85 dyn / cm pri -196 ° C

-Tekoči kisik, 13,2 dyn / cm pri -182 ºC

Površinska napetost tekočega kisika je višja od napetosti helija, ker imajo njegove molekule večjo maso.

Apolarne tekočine

Pričakuje se, da bodo nepolarne in organske tekočine večje površinske napetosti od teh kondenziranih plinov. Med nekaterimi od njih imamo naslednje:

-Dietileter, 17 dyn / cm pri 20 ° C

- n-heksan, 18,40 dyn / cm pri 20 ° C

- n-oktan, 21,80 dyn / cm pri 20 ° C

-Toluen, 27,73 dyn / cm pri 25 ° C

Podoben trend je opazen tudi pri teh tekočinah: površinska napetost narašča, ko se povečujeta njihova molekularna masa. Vendar naj bi imel n-oktan največjo površinsko napetost in ne toluen. Tu pridejo v poštev molekularne strukture in geometrije.

Molekule toluena, ploščate in obročasto oblikovane, imajo učinkovitejše interakcije kot n-oktan. Zato je površina toluena "tesnejša" od površine n-oktana.

Polarne tekočine

Ker obstajajo močnejše dipolsko-dipolne interakcije med molekulami polarne tekočine, je njihova težnja, da kažejo večje površinske napetosti. Vendar to ni vedno tako. Med nekaj primeri imamo:

-Ocetna kislina, 27,60 dyn / cm pri 20 ° C

-Aceton, 23,70 dyn / cm pri 20 ° C

-Krvenica, 55,89 dyn / cm pri 22 ° C

-Etanol, 22,27 dyn / cm pri 20 ° C

-Glicerol, 63 dyn / cm pri 20 ° C

-Raztopljeni natrijev klorid, 163 dyn / cm pri 650 ° C

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

Pričakuje se, da ima staljeni natrijev klorid ogromno površinsko napetost - je viskozna, ionska tekočina.

Na drugi strani je živo srebro ena izmed tekočin z najvišjo površinsko napetostjo: 487 dyn / cm. V njem je njegova površina sestavljena iz močno kohezivnih atomov živega srebra, veliko več kot so molekule vode.

Prijave

Nekatere žuželke uporabljajo površinsko napetost vode, da lahko hodijo po njej. Vir: Pixabay.

Samo površinska napetost nima uporabe. Vendar to ne pomeni, da ni vpleten v različne vsakodnevne pojave, ki, če ne bi obstajali, ne bi prihajali.

Na primer, komarji in druge žuželke lahko hodijo po vodi. To je zato, ker njihove hidrofobne noge odbijajo vodo, medtem ko jim majhna masa omogoča, da ostanejo na plaži na molekularni pregradi, ne da bi padle na dno reke, jezera, ribnika itd.

Površinska napetost igra tudi vlogo pri vlažnosti tekočin. Večja kot je površinska napetost, manjša je njegova nagnjenost k uhajanju skozi pore ali razpoke v materialu. Poleg tega niso zelo uporabne tekočine za čiščenje površin.

Detergenti

Tu delujejo detergenti, ki zmanjšujejo površinsko napetost vode in ji pomagajo pokriti večje površine; hkrati izboljšuje njegovo razmaščevanje. Z zmanjšanjem površinske napetosti daje prostor za molekule zraka, s katerimi tvorijo mehurčke.

Emulzije

Po drugi strani pa so spodnje zgornje napetosti povezane s stabilizacijo emulzij, ki so zelo pomembne pri pripravi različnih izdelkov.

Preprosti poskusi

Kovinska sponka plava zaradi površinske napetosti vode. Vir: Alvesgaspar

Na koncu bomo navedli nekaj poskusov, ki jih je mogoče izvesti v katerem koli domačem prostoru.

Poskus s posnetkom

Kovinska sponka je postavljena na njeno površino v kozarcu s hladno vodo. Kot je prikazano na zgornji sliki, bo posnetek ostal na površini zaradi površinske napetosti vode. Če pa steklu dodamo malo lava porcelana, bo površinska napetost močno padla in sponka za papir bo nenadoma potonila.

Papirnata ladjica

Če imamo na površini papirnati čoln ali leseno paleto in če smo na glavo brisa dodali pomivalni stroj ali detergent, se bo zgodil zanimiv pojav: prišlo bo do odbojnosti, ki jih bo razširil proti robom kozarca. Papirnati čoln in lesena paleta se bosta odmaknila od brisa, razmazanega z detergentom.

Drugi podoben in bolj grafičen eksperiment je ponovitev iste operacije, vendar v vedru vode, posute s črnim poprom. Delci črnega popra se bodo oddaljili in površina se bo spremenila iz paprike, prekrite v kristalno čist, s papriko na robovih.

Reference

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Kemija (8. izd.). CENGAGE Učenje.
2. Wikipedija. (2020). Površinska napetost. Pridobljeno: en.wikipedia.org
3. USGS. (sf). Površinska napetost in voda. Pridobljeno od: usgs.gov
4. Jones, Andrew Zimmerman. (12. februar 2020). Površinska napetost - definicija in poskusi. Pridobljeno: misel.com
5. Susanna Laurén. (15. november 2017). Zakaj je površinska napetost pomembna? Biolin Scientific. Pridobljeno: blog.biolinscientist.com
6. Nauk o starševstvu. (7. november 2019). Kaj je površinska napetost - Cool Science Experiment. Pridobljeno: rookieparenting.com
7. Jessica Munk (2020). Preizkusi površinske napetosti. Študij. Pridobljeno: study.com
8. Otrok bi moral to videti. (2020). Sedem eksperimentov površinske napetosti - Physics Girl. Pridobljeno: thekidshouldseethis.com