KAPILARNOŚĆ: CHARAKTERYSTYKA I PRZYKŁAD W WODZIE - CHEMIA - 2024

Kapilarność to właściwość cieczy, który pozwala im poruszać się cylindryczne otwory i porowate na powierzchni, nawet grawitacji. W tym celu musi istnieć równowaga i koordynacja dwóch sił związanych z cząsteczkami cieczy: kohezji i adhezji; te dwa mają fizyczne odbicie zwane napięciem powierzchniowym.

Ciecz musi być w stanie zwilżyć wewnętrzne ściany rurki lub pory materiału, przez który się przemieszcza. Dzieje się tak, gdy siła adhezji (ściana rurki kapilarnej cieczy) jest większa niż siła spójności międzycząsteczkowej. W konsekwencji cząsteczki cieczy oddziałują silniej z atomami materiału (szkło, papier itp.) Niż ze sobą.

Źródło: MesserWoland za pośrednictwem Wikipedii

Klasyczny przykład kapilarności ilustruje porównanie tej właściwości dla dwóch bardzo różnych cieczy: wody i rtęci.

Na powyższym obrazku widać, że woda podnosi się po ściankach rury, co oznacza, że ​​ma ona większe siły adhezji; podczas gdy w przypadku rtęci jest odwrotnie, ponieważ siły kohezji wiązania metalicznego uniemożliwiają jej zwilżenie szkła.

Z tego powodu woda tworzy wklęsły menisk, a rtęć - wypukły (w kształcie kopuły) menisk. Należy również zauważyć, że im mniejszy promień rury lub sekcji, przez którą przepływa ciecz, tym większa wysokość lub przebyta odległość (porównaj wysokości słupów wody dla obu rur).

Charakterystyka kapilarności

-Powierzchnia cieczy

Powierzchnia cieczy, to znaczy wody, w kapilarze jest wklęsła; to znaczy, menisk jest wklęsły. Sytuacja taka ma miejsce, ponieważ wypadkowa sił wywieranych na cząsteczki wody w pobliżu ściany rurki jest skierowana na nią.

W każdym menisku występuje kąt zwilżania (θ), czyli kąt utworzony przez ściankę rurki kapilarnej z linią styczną do powierzchni cieczy w punkcie styku.

Siły adhezji i kohezji

Jeżeli siła adhezji cieczy do ściany kapilary przeważa nad międzycząsteczkową siłą kohezji, wówczas kąt wynosi θ <90º; ciecz zwilża ścianę kapilarną, a woda unosi się przez kapilarę, obserwując zjawisko znane jako kapilarność.

Kiedy kropla wody jest umieszczona na powierzchni czystej szklanki, woda rozlewa się po szkle, więc θ = 0 i cos θ = 1.

Jeśli międzycząsteczkowa siła kohezji przeważa nad siłą adhezji ściany kapilarnej ciecz, na przykład w rtęci, menisk będzie wypukły, a kąt θ będzie miał wartość> 90º; rtęć nie zwilża ściany kapilarnej i dlatego spływa po jej wewnętrznej ścianie.

Gdy kropla rtęci jest umieszczona na powierzchni czystej szyby, zachowuje ona swój kształt i kąt θ = 140º.

-Wysokość

Woda unosi się przez rurkę kapilarną do osiągnięcia wysokości (h), na której ciężar słupa wody kompensuje składową pionową międzycząsteczkowej siły kohezji.

Wraz ze wzrostem ilości wody nadejdzie punkt, w którym grawitacja zatrzyma swój wzrost, nawet przy napięciu powierzchniowym działającym na twoją korzyść.

Kiedy tak się dzieje, cząsteczki nie mogą dalej „wspinać się” po wewnętrznych ścianach, a wszystkie siły fizyczne wyrównują się. Z jednej strony masz siły, które sprzyjają podnoszeniu się wody, az drugiej własny ciężar spychający ją w dół.

Prawo Jurina

Można to zapisać matematycznie w następujący sposób:

2 π rϒcosθ = ρgπr ² godz

Gdzie lewa strona równania zależy od napięcia powierzchniowego, którego wielkość jest również związana z kohezją lub siłami międzycząsteczkowymi; Cosθ oznacza kąt zwilżania, ar promień otworu, przez który unosi się ciecz.

Po prawej stronie równania mamy wysokość h, siłę grawitacji g i gęstość cieczy; która byłaby wodą.

Rozwiązując więc h mamy

h = (2ϒcosθ / ρgr)

To sformułowanie jest znane jako prawo Jurina, które określa wysokość osiągniętą przez kolumnę cieczy w rurce kapilarnej, gdy ciężar kolumny cieczy jest równoważony siłą wznoszenia przez działanie kapilarne.

-Napięcie powierzchniowe

Woda jest cząsteczką dipolową ze względu na elektroujemność atomu tlenu i jego geometrię cząsteczkową. Powoduje to, że część cząsteczki wody, w której znajduje się tlen, zostaje naładowana ujemnie, podczas gdy część cząsteczki wody zawierająca 2 atomy wodoru zostaje naładowana dodatnio.

Cząsteczki w cieczy oddziałują dzięki temu poprzez liczne wiązania wodorowe, utrzymując je razem. Jednak cząsteczki wody, które znajdują się na granicy faz woda: powietrze (powierzchnia), podlegają przyciąganiu netto przez cząsteczki zatoki cieczy, a nie są kompensowane przez słabe przyciąganie cząsteczkami powietrza.

Dlatego cząsteczki wody na granicy faz są poddawane działaniu siły przyciągania, która ma tendencję do usuwania cząsteczek wody z powierzchni; innymi słowy, wiązania wodorowe utworzone z cząsteczkami na dnie przeciągają te, które są na powierzchni. Zatem napięcie powierzchniowe ma na celu zmniejszenie powierzchni rozdziału faz woda: powietrze.

Związek z h

Jeśli spojrzymy na równanie prawa Jurina, okaże się, że h jest wprost proporcjonalne do ϒ; w związku z tym im wyższe napięcie powierzchniowe cieczy, tym większa wysokość, która może zostać podniesiona przez kapilarę lub pory materiału.

W ten sposób oczekuje się, że dla dwóch cieczy, A i B, o różnych napięciach powierzchniowych, ta o większym napięciu powierzchniowym podniesie się na większą wysokość.

W odniesieniu do tego punktu można wywnioskować, że wysokie napięcie powierzchniowe jest najważniejszą cechą określającą kapilarną właściwość cieczy.

-Promień kapilary lub porów, przez które unosi się ciecz

Obserwacja prawa Jurina wskazuje, że wysokość, jaką osiąga ciecz w kapilarze lub porach, jest odwrotnie proporcjonalna do promienia tego samego.

Dlatego im mniejszy promień, tym większa wysokość, jaką osiąga kolumna cieczy w wyniku działania kapilarnego. Można to zobaczyć bezpośrednio na zdjęciu, na którym porównuje się wodę z rtęcią.

W szklanej rurce o promieniu 0,05 mm słup wody na kapilarność osiągnie wysokość 30 cm. W rurkach kapilarnych o promieniu 1 µm przy ciśnieniu ssania 1,5 x 10 ³ hPa (co odpowiada 1,5 atm) odpowiada obliczeniu wysokości słupa wody od 14 do 15 m.

Jest to bardzo podobne do tego, co dzieje się z tymi słomkami, które obracają się kilka razy. Popijanie płynu tworzy różnicę ciśnień, która powoduje, że płyn podnosi się do ust.

Maksymalna wartość wysokości kolumny osiągnięta przez kapilarność jest teoretyczna, ponieważ promień kapilar nie może zostać zmniejszony poza pewną granicę.

Prawo Poiseuille'a

Oznacza to, że przepływ prawdziwej cieczy jest określony przez następujące wyrażenie:

Q = ( πr ⁴ / 8ηl) ΔP

Gdzie Q to przepływ cieczy, η to jej lepkość, l to długość rurki, a ΔP to różnica ciśnień.

Wraz ze zmniejszaniem się promienia kapilary wysokość słupa cieczy osiągnięta przez kapilarność powinna rosnąć w nieskończoność. Jednak Poiseuille zwraca uwagę, że wraz ze zmniejszaniem się promienia zmniejsza się również przepływ płynu przez tę kapilarę.

Ponadto lepkość, która jest miarą oporu dla przepływu rzeczywistej cieczy, dodatkowo zmniejszyłaby przepływ cieczy.

-Kąt styku (θ)

Im większa wartość cosθ, tym większa wysokość słupa wody na kapilarność, jak wskazuje prawo Jurina.

Jeśli θ jest małe i zbliża się do zera (0), cosθ wynosi 1, więc wartość h będzie maksymalna. Wręcz przeciwnie, jeśli θ jest równe 90º, cosθ = 0, a wartość h = 0.

Gdy wartość θ jest większa niż 90º, co ma miejsce w przypadku menisku wypukłego, ciecz nie unosi się kapilarnie i ma tendencję do opadania (jak to ma miejsce w przypadku rtęci).

Kapilarność wody

Woda ma wartość napięcia powierzchniowego 72,75 N / m, stosunkowo wysoką w porównaniu z wartościami napięcia powierzchniowego następujących cieczy:

-Aceton: 22,75 N / m

-Alkohol etylowy: 22,75 N / m

-Heksan: 18,43 N / m

-Metanol: 22,61 N / m.

Dlatego woda ma wyjątkowe napięcie powierzchniowe, co sprzyja rozwojowi zjawiska kapilarności, niezbędnego do wchłaniania wody i składników pokarmowych przez rośliny.

W roślinach

Źródło: Pixabay

Kapilarność jest ważnym mechanizmem wznoszenia się soku przez ksylem roślin, ale sama w sobie jest niewystarczająca, aby doprowadzić sok do liści drzew.

Transpiracja lub parowanie jest ważnym mechanizmem wznoszenia się soku przez ksylem roślin. Liście tracą wodę poprzez parowanie, powodując zmniejszenie ilości cząsteczek wody, co powoduje przyciąganie cząsteczek wody obecnych w kapilarach (ksylem).

Cząsteczki wody nie działają niezależnie od siebie, ale raczej oddziałują na siebie siłami Van der Waalsa, co powoduje, że wznoszą się połączone razem przez naczynia włosowate roślin w kierunku liści.

Oprócz tych mechanizmów należy zauważyć, że rośliny pobierają wodę z gleby na drodze osmozy, a dodatnie ciśnienie wytwarzane w korzeniu powoduje początek wzrostu wody przez naczynia włosowate rośliny.

Bibliografia

1. García Franco A. (2010). Powierzchowne zjawiska. Odzyskany z: sc.ehu.es
2. Zjawiska powierzchniowe: napięcie powierzchniowe i kapilarność. . Odzyskany z: ugr.es
3. Wikipedia. (2018). Kapilarność. Odzyskane z: es.wikipedia.org
4. Risvhan T. (nd) Kapilarność roślin. Odzyskany z: academia.edu
5. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (22 grudnia 2018). Akcja kapilarna: definicja i przykłady. Odzyskany z: thinkco.com
6. Ellen Ellis M. (2018). Kapilarne działanie wody: definicja i przykłady. Badanie. Odzyskany z: study.com
7. Personel ScienceStruck. (16 lipca 2017). Przykłady wyjaśniające koncepcję i znaczenie działania kapilarnego. Odzyskany z: sciencestruck.com