NAPIĘCIE POWIERZCHNIOWE: PRZYCZYNY, PRZYKŁADY, ZASTOSOWANIA I EKSPERYMENTY - CHEMIA - 2025

Napięcie powierzchniowe jest właściwością fizyczną o wszystkich cieczy i charakteryzuje się odpornością na ich powierzchnie, są przeciwni zwiększenia jego obszaru. To to samo, co stwierdzenie, że wspomniana powierzchnia będzie szukać jak najmniejszego obszaru. Zjawisko to splata kilka pojęć chemicznych, takich jak kohezja, adhezja i siły międzycząsteczkowe.

Napięcie powierzchniowe jest odpowiedzialne za powstawanie krzywizn powierzchni cieczy w naczyniach rurowych (cylindry z podziałką, kolumny, probówki itp.). Mogą być wklęsłe (zakrzywione w kształcie doliny) lub wypukłe (zakrzywione w kształcie kopuły). Wiele zjawisk fizycznych można wyjaśnić, biorąc pod uwagę zmiany, jakim podlega napięcie powierzchniowe cieczy.

Kuliste kształty, które krople wody przybierają na liściach, są częściowo spowodowane ich napięciem powierzchniowym. Źródło: zdjęcie zrobione przez użytkownika flickr tanakawho

Jednym z takich zjawisk jest tendencja cząsteczek cieczy do aglomeracji w postaci kropel, gdy spoczywają na odpychających je powierzchniach. Na przykład krople wody, które widzimy na liściach, nie mogą ich zwilżyć ze względu na woskową, hydrofobową powierzchnię.

Jednak przychodzi czas, kiedy grawitacja odgrywa swoją rolę i kropla wylewa się jak kolumna wody. Podobne zjawisko zachodzi w kulistych kroplach rtęci wylanych z termometru.

Z drugiej strony najważniejsze jest napięcie powierzchniowe wody, które przyczynia się do powstawania i organizuje stan mikroskopijnych ciał w środowisku wodnym, takich jak komórki i ich błony lipidowe. Dodatkowo to napięcie odpowiada za to, że woda paruje powoli, a niektóre ciała są gęstsze, niż mogą unosić się na jej powierzchni.

Przyczyny napięcia powierzchniowego

Wyjaśnienie zjawiska napięcia powierzchniowego znajduje się na poziomie molekularnym. Cząsteczki cieczy oddziałują ze sobą w taki sposób, że są spójne w swoich nieregularnych ruchach. Cząsteczka oddziałuje ze swoimi sąsiadami obok niej oraz z tymi, które znajdują się nad lub pod nią.

Jednak nie dzieje się to tak samo z cząsteczkami na powierzchni cieczy, które mają kontakt z powietrzem (lub jakimkolwiek innym gazem) lub z ciałem stałym. Cząsteczki na powierzchni nie mogą łączyć się z cząsteczkami środowiska zewnętrznego.

W rezultacie nie doświadczają żadnych sił, które ciągną ich w górę; tylko w dół, od sąsiadów w płynnym medium. Aby przeciwdziałać temu brakowi równowagi, cząsteczki na powierzchni są „ściskane”, ponieważ tylko wtedy mogą przezwyciężyć siłę, która je popycha.

Następnie tworzona jest powierzchnia, w której cząsteczki są bardziej napięte. Jeśli cząstka chce penetrować ciecz, musi najpierw przekroczyć tę molekularną barierę proporcjonalną do napięcia powierzchniowego tej cieczy. To samo dotyczy cząstki, która chce uciec do środowiska zewnętrznego z głębin cieczy.

Dlatego jego powierzchnia zachowuje się tak, jakby była elastyczną folią wykazującą odporność na odkształcenia.

Jednostki

Napięcie powierzchniowe jest zwykle przedstawiane za pomocą symbolu γ i jest wyrażane w jednostkach N / m, siła razy długość. Jednak w większości przypadków jego jednostką jest dyn / cm. Jeden można zamienić na drugi za pomocą następującego współczynnika konwersji:

1 dyn / cm = 0,001 N / m

Napięcie powierzchniowe wody

Woda jest najrzadszym i najbardziej niesamowitym ze wszystkich płynów. Jego napięcie powierzchniowe, a także kilka jego właściwości jest niezwykle wysokie: 72 dyn / cm w temperaturze pokojowej. Wartość ta może wzrosnąć do 75,64 dyn / cm w temperaturze 0 ºC; lub obniżyć do 58,85 ° C, w temperaturze 100 ° C.

Obserwacje te mają sens, jeśli weźmie się pod uwagę, że bariera molekularna zacieśnia się jeszcze bardziej w temperaturach bliskich zeru lub „rozluźnia się” nieco bardziej w okolicach temperatury wrzenia.

Woda ma wysokie napięcie powierzchniowe ze względu na wiązania wodorowe. Jeśli te same w sobie są zauważalne w cieczy, są jeszcze bardziej widoczne na powierzchni. Cząsteczki wody są silnie splątane, tworząc oddziaływania dipol-dipol typu H ₂ O-HOH.

Cząsteczki wody przyciągają się do siebie; są połączone wiązaniami wodorowymi

Skuteczność ich oddziaływań jest taka, że ​​wodna bariera molekularna może nawet podtrzymywać niektóre ciała, zanim opadną. W sekcjach zastosowań i eksperymentów wrócimy do tego punktu.

Inne przykłady

Wszystkie ciecze wykazują napięcia powierzchniowe w mniejszym lub większym stopniu niż woda lub czy są to czyste substancje lub roztwory. To, jak silne i napięte są bariery molekularne jego powierzchni, będzie zależało bezpośrednio od ich interakcji międzycząsteczkowych, a także od czynników strukturalnych i energetycznych.

Gazy skondensowane

Na przykład cząsteczki gazów w stanie ciekłym oddziałują ze sobą tylko poprzez siły dyspersyjne Londynu. Jest to zgodne z faktem, że ich napięcia powierzchniowe mają niskie wartości:

-Płynny hel, 0,37 dyn / cm przy -273 ° C

- Ciekły azot, 8,85 dyn / cm przy -196 ° C

-Płynny tlen, 13,2 dyn / cm przy -182 ºC

Napięcie powierzchniowe ciekłego tlenu jest wyższe niż helu, ponieważ jego cząsteczki mają większą masę.

Płyny niepolarne

Oczekuje się, że ciecze niepolarne i organiczne będą miały wyższe napięcia powierzchniowe niż te skroplone gazy. Wśród niektórych z nich mamy:

-Dietilether, 17 dyn / cm w 20 ºC

- n-heksan, 18,40 dyn / cm w 20 ° C

- n-Oktan, 21,80 dyn / cm w 20 ° C

-Toluen, 27,73 dyn / cm w temperaturze 25 ° C

Podobny trend obserwuje się w przypadku tych cieczy: napięcie powierzchniowe rośnie wraz ze wzrostem ich mas cząsteczkowych. Jednak to n-oktan powinien mieć najwyższe napięcie powierzchniowe, a nie toluen. Tutaj do gry wchodzą struktury molekularne i geometrie.

Cząsteczki toluenu, płaskie i pierścieniowe, mają bardziej efektywne interakcje niż n-oktan. Dlatego powierzchnia toluenu jest „mocniejsza” niż powierzchnia n-oktanu.

Płyny polarne

Ponieważ między cząsteczkami cieczy polarnej zachodzą silniejsze oddziaływania dipol-dipol, mają one tendencję do wykazywania wyższych napięć powierzchniowych. Lecz nie zawsze tak jest. Oto kilka przykładów:

-Kwas octowy 27,60 dyn / cm przy 20 ° C

-Aceton, 23,70 dyn / cm przy 20 ºC

-Krew, 55,89 dyn / cm w 22 ºC

-Etanol, 22,27 dyn / cm w 20 ° C

-Glicerol, 63 dyn / cm przy 20 ºC

-Stopiony chlorek sodu, 163 dyn / cm w 650 ° C

- 6 M roztwór NaCl, 82,55 dyn / cm w 20 ° C

Oczekuje się, że stopiony chlorek sodu będzie miał ogromne napięcie powierzchniowe - jest lepką, jonową cieczą.

Z drugiej strony rtęć należy do cieczy o najwyższym napięciu powierzchniowym: 487 dyn / cm. W nim jego powierzchnia składa się z silnie kohezyjnych atomów rtęci, znacznie więcej niż mogą to być cząsteczki wody.

Aplikacje

Niektóre owady wykorzystują napięcie powierzchniowe wody, aby móc po niej chodzić. Źródło: Pixabay.

Samo napięcie powierzchniowe nie ma zastosowania. Nie oznacza to jednak, że nie bierze udziału w różnych codziennych zjawiskach, które gdyby nie istniały, nie wystąpiłyby.

Na przykład komary i inne owady mogą chodzić po wodzie. Dzieje się tak, ponieważ ich hydrofobowe nogi odpychają wodę, a niska masa pozwala im unosić się na barierze molekularnej bez spadania na dno rzeki, jeziora, stawu itp.

Napięcie powierzchniowe również odgrywa rolę w zwilżalności cieczy. Im wyższe napięcie powierzchniowe, tym mniejsza tendencja do przeciekania przez pory lub pęknięcia materiału. Poza tym nie są to bardzo przydatne płyny do czyszczenia powierzchni.

Detergenty

To tutaj działają detergenty, zmniejszając napięcie powierzchniowe wody i pomagając jej pokryć większe powierzchnie; jednocześnie poprawiając jego działanie odtłuszczające. Zmniejszając napięcie powierzchniowe, uwalnia cząsteczki powietrza, z którymi tworzy bąbelki.

Emulsje

Z drugiej strony niższe, wyższe napięcia wiążą się ze stabilizacją emulsji, co jest bardzo ważne przy formułowaniu innego asortymentu produktów.

Proste eksperymenty

Metalowy klips unosi się na wodzie ze względu na napięcie powierzchniowe wody. Źródło: Alvesgaspar

Na koniec przytoczę niektóre eksperymenty, które można przeprowadzić w dowolnej przestrzeni domowej.

Eksperyment z klipem

Metalowy klips umieszcza się na jego powierzchni w szklance z zimną wodą. Jak widać na powyższym obrazku, klips pozostanie na powierzchni dzięki napięciu powierzchniowemu wody. Ale jeśli do szkła zostanie dodana niewielka porcelana lawowa, napięcie powierzchniowe gwałtownie spadnie, a spinacz nagle opadnie.

Papierowa łódka

Jeśli na powierzchni mamy papierową łódeczkę lub drewnianą paletę, a jeśli do główki wacika dodamy zmywarkę lub detergent, to nastąpi ciekawe zjawisko: nastąpi odpychanie, które będzie je propagować w kierunku krawędzi szkła. Papierowa łódka i drewniana paleta odsuną się od wacika nasmarowanego detergentem.

Inny podobny i bardziej graficzny eksperyment polega na powtórzeniu tej samej operacji, ale w wiadrze z wodą posypaną czarnym pieprzem. Cząsteczki czarnego pieprzu odejdą, a powierzchnia zmieni się z pokrytej pieprzem na krystalicznie czystą, z pieprzem na brzegach.

Bibliografia

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Chemia (8th ed.). CENGAGE Learning.
2. Wikipedia. (2020). Napięcie powierzchniowe. Odzyskane z: en.wikipedia.org
3. USGS. (sf). Napięcie powierzchniowe i woda. Odzyskany z: usgs.gov
4. Jones, Andrew Zimmerman. (12 lutego 2020). Napięcie powierzchniowe - definicja i eksperymenty. Odzyskany z: thinkco.com
5. Susanna Laurén. (15 listopada 2017). Dlaczego napięcie powierzchniowe jest ważne? Biolin Scientific. Odzyskany z: blog.biolinscientific.com
6. Rookie Parenting Science. (07 listopada 2019). Co to jest napięcie powierzchniowe - fajny eksperyment naukowy. Odzyskany z: rookieparenting.com
7. Jessica Munk. (2020). Eksperymenty z napięciem powierzchniowym. Badanie. Odzyskany z: study.com
8. Dziecko powinno to zobaczyć. (2020). Siedem eksperymentów z napięciem powierzchniowym - Physics Girl. Odzyskany z: thekidshouldseethis.com