KAPILITA: VLASTNOSTI A PŘÍKLAD VE VODĚ - CHEMIE - 2025

Kapilarita je vlastnost kapalin, které jim umožňuje pohyb trubkových otvorů nebo porézních povrchů i proti gravitaci. K tomu musí existovat rovnováha a koordinace dvou sil souvisejících s molekulami kapaliny: soudržnost a adheze; tito dva mají fyzický odraz zvaný povrchové napětí.

Kapalina musí být schopna navlhčit vnitřní stěny trubice nebo póry materiálu, kterým prochází. K tomu dochází, když je adhezní síla (kapalina-kapilární trubice stěna) větší než intermolekulární kohezní síla. V důsledku toho molekuly kapaliny vytvářejí silnější interakce s atomy materiálu (sklo, papír atd.) Než navzájem.

Zdroj: MesserWoland přes Wikipedia

Klasický příklad kapilárnosti je ilustrován ve srovnání této vlastnosti pro dvě velmi odlišné kapaliny: vodu a rtuť.

Na obrázku výše je vidět, že voda stoupá po stěnách trubky, což znamená, že má větší adhezní síly; zatímco u rtuti dochází k opaku, protože její kohezní síly, kovové vazby, jí brání ve smáčení skla.

Z tohoto důvodu voda tvoří konkávní meniskus a rtuť konvexní (kupolovitý) meniskus. Je třeba také poznamenat, že čím menší je poloměr trubice nebo sekce, skrz kterou tekutina prochází, tím větší je výška nebo vzdálenost (porovnejte výšky vodních sloupců pro obě trubky).

Kapilární charakteristiky

- Povrch kapaliny

Povrch kapaliny, řekněme vody, v kapiláře je konkávní; to znamená, že meniskus je konkávní. Tato situace nastává, protože výsledné síly vyvíjené na molekuly vody poblíž stěny trubice směřují k ní.

V každém menisku je kontaktní úhel (9), což je úhel, který tvoří stěna kapilární trubice s přímkou ​​tečnou k povrchu kapaliny v bodě kontaktu.

Síly přilnavosti a soudržnosti

Pokud adhezní síla kapaliny ke kapilární stěně převládá nad mezimolekulární kohezní silou, je úhel 9 <90 °; kapalina zvlhčuje kapilární stěnu a voda stoupá skrz kapiláru, přičemž pozoruje jev známý jako kapilarita.

Když se na povrch čistého skla umístí kapka vody, voda se rozprostírá přes sklo, takže θ = 0 a cos θ = 1.

Pokud intermolekulární kohezní síla převládá nad adhezní silou kapilární stěny, například v rtuti, bude meniskus konvexní a úhel 9 bude mít hodnotu> 90 °; rtuť nezmočí kapilární stěnu, a proto stéká po své vnitřní stěně.

Když je kapka rtuti umístěna na povrch čistého skla, kapka si zachová svůj tvar a úhel θ = 140 °.

-Výška

Voda stoupá kapilární trubicí, dokud nedosáhne výšky (h), ve které hmotnost vodního sloupce kompenzuje vertikální složku mezimolekulární kohezní síly.

Jak stoupá více vody, dojde k bodu, kdy gravitace zastaví svůj výstup, dokonce i když povrchové napětí bude pracovat ve váš prospěch.

Když k tomu dojde, molekuly nemohou dál „šplhat“ na vnitřní stěny a všechny fyzické síly se vyrovnávají. Na jedné straně máte síly, které podporují stoupání vody, a na druhé straně vaše vlastní hmotnost tlačí dolů.

Jurinův zákon

Toto lze matematicky napsat takto:

2 π rϒcosθ = ρgπr ² h

Kde levá strana rovnice závisí na povrchovém napětí, jehož velikost souvisí také s kohezními nebo mezimolekulárními silami; Cosθ představuje kontaktní úhel a r poloměr díry, skrz kterou stoupá kapalina.

A na pravé straně rovnice máme výšku h, gravitační sílu g a hustotu kapaliny; což by byla voda.

Řešením pak pro h máme

h = (2ϒcosθ / ρgr)

Tato formulace je známa jako Jurinův zákon, který definuje výšku dosaženou sloupcem kapaliny v kapilární trubici, když je hmotnost sloupce kapaliny vyvážena silou vzestupu kapilárním působením.

-Povrchové napětí

Voda je dipólová molekula díky elektronegativitě atomu kyslíku a jeho molekulární geometrii. To způsobuje, že část molekuly vody, ve které je umístěn kyslík, je negativně nabitá, zatímco část molekuly vody obsahující 2 atomy vodíku se nabije pozitivně.

Molekuly v kapalině díky tomu interagují prostřednictvím několika vodíkových vazeb a drží je pohromadě. Molekuly vody, které jsou v rozhraní voda: vzduch (povrch), jsou však vystaveny přitažlivosti molekul sinusu kapaliny, které nejsou kompenzovány slabou přitažlivostí molekul vzduchu.

Proto jsou molekuly vody na rozhraní vystaveny atraktivní síle, která má sklon odstraňovat molekuly vody z rozhraní; jinými slovy, vodíkové vazby vytvořené s molekulami na dně táhnou ty, které jsou na povrchu. Tím se povrchové napětí snaží snížit povrch rozhraní voda: vzduch.

Vztah s h

Podíváme-li se na Jurinovu rovnici, zjistíme, že h je přímo úměrné ϒ; proto čím vyšší je povrchové napětí kapaliny, tím větší je výška, kterou lze zvýšit kapilárou nebo pórem materiálu.

Tímto způsobem se očekává, že pro dvě kapaliny, A a B, s různým povrchovým napětím, vzroste jedna s větším povrchovým napětím do vyšší výšky.

Z tohoto hlediska lze vyvodit, že vysoké povrchové napětí je nejdůležitější charakteristikou, která definuje kapilární vlastnosti kapaliny.

-Radius kapiláry nebo póru, skrz který stoupá kapalina

Pozorování Jurinova zákona naznačuje, že výška, kterou kapalina dosáhne v kapiláře nebo póru, je nepřímo úměrná jeho poloměru.

Čím menší je poloměr, tím větší je výška, kterou kapalinový sloupec dosahuje kapilárním působením. To lze vidět přímo na obrázku, kde je voda ve srovnání s rtutí.

Ve skleněné zkumavce o poloměru 0,05 mm dosáhne vodní sloupec na kapilaritu výšku 30 cm. V kapilár o poloměru 1 um se sacím tlaku 1,5 x 10 ³ hPa (což se rovná 1,5 atm) odpovídá výpočtu výšky vodního sloupce 14-15 m.

Je to velmi podobné tomu, co se děje s těmi brčkami, které se několikrát zapnou. Popíjení kapaliny vytváří tlakový rozdíl, který způsobuje, že kapalina stoupá až k ústům.

Maximální výšková hodnota sloupce dosažená kapilárností je teoretická, protože poloměr kapilár nelze snížit za určitý limit.

Poiseuilleův zákon

Tím se stanoví, že tok skutečné tekutiny je dán následujícím výrazem:

Q = (πr ⁴ / 8ηl) AP

Kde Q je průtok kapaliny, η je její viskozita, l je délka zkumavky a ΔP je tlakový rozdíl.

Jak se poloměr kapiláry zmenšuje, výška kapalné kolony dosažená kapilárou by se měla donekonečna zvyšovat. Poiseuille však poukazuje na to, že jak se poloměr snižuje, snižuje se také průtok tekutiny skrz tuto kapiláru.

Rovněž viskozita, která je měřítkem odporu vůči proudu skutečné kapaliny, by dále snižovala tok kapaliny.

-Kontaktní úhel (9)

Čím větší je hodnota cosθ, tím větší je výška vodního sloupce na kapilitu, jak ukazuje Jurinův zákon.

Je-li θ malé a blíží se nule (0), cosθ je = 1, takže hodnota h bude maximální. Naopak, pokud je 9 rovno 90 °, cosθ = 0 a hodnota h = 0.

Když je hodnota 9 větší než 90 °, což je případ konvexního menisku, tekutina nevzroste kapilaritou a má tendenci klesat (jak se vyskytuje u rtuti).

Kapilita vody

Voda má hodnotu povrchového napětí 72,75 N / m, relativně vysokou ve srovnání s hodnotami povrchového napětí následujících kapalin:

-Aceton: 22,75 N / m

-Etylalkohol: 22,75 N / m

-Hexan: 18,43 N / m

-Methanol: 22,61 N / m.

Voda má proto výjimečné povrchové napětí, což podporuje vývoj jevu kapilár, který je nezbytný pro vstřebávání vody a živin rostlinami.

V rostlinách

Zdroj: Pixabay

Kapilarita je důležitým mechanismem pro výstup mízy přes xylem rostlin, ale samo o sobě nestačí dostat mízu k listům stromů.

Transpirace nebo odpařování je důležitým mechanismem při výstupu mízy přes xylem rostlin. Listy ztratí vodu jeho odpařováním, čímž se sníží množství molekul vody, což způsobí přitažlivost molekul vody přítomných v kapilárách (xylem).

Molekuly vody nepůsobí nezávisle na sobě, nýbrž se vzájemně ovlivňují Van der Waalsovými silami, což způsobuje, že se vzestupně spojují kapilárami rostlin směrem k listům.

Kromě těchto mechanismů je třeba poznamenat, že rostliny absorbují vodu z půdy osmózou a že pozitivní tlak generovaný v kořenovém systému řídí začátek nárůstu vody kapilárami rostliny.

Reference

1. García Franco A. (2010). Povrchní jevy. Obnoveno z: sc.ehu.es
2. Povrchové jevy: povrchové napětí a kapilárnost.. Obnoveno z: ugr.es
3. Wikipedia. (2018). Kapilarita. Obnoveno z: es.wikipedia.org
4. Risvhan T. (nd) Kapilarita v rostlinách. Obnoveno z: academia.edu
5. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (22. prosince 2018). Kapilární akce: Definice a příklady. Obnoveno z: thinkco.com
6. Ellen Ellis M. (2018). Kapilární působení vody: definice a příklady. Studie. Obnoveno z: study.com
7. ScienceStruck Staff. (16. července 2017). Příklady, které vysvětlují koncept a význam kapilární akce. Obnoveno z: sciencestruck.com