POVRCHOVÉ NAPĚTÍ: PŘÍČINY, PŘÍKLADY, APLIKACE A EXPERIMENTY - CHEMIE - 2025

Povrchové napětí je fyzikální vlastnost mají všechny tekutiny, a je charakterizován tím, odolnosti proti jejich povrchy proti jakékoli zvýšení svého okolí. Je to stejné jako říkat, že uvedený povrch bude hledat nejmenší možnou oblast. Tento jev propojuje několik chemických konceptů, jako je soudržnost, adheze a intermolekulární síly.

Povrchové napětí je zodpovědné za vytváření povrchových zakřivení kapalin v trubkových nádobách (odměrné válce, kolony, zkumavky atd.). Mohou být konkávní (zakřivené ve tvaru údolí) nebo konvexní (zakřivené ve tvaru kupole). Mnoho fyzikálních jevů lze vysvětlit zvážením změn, kterým povrchové napětí kapaliny podléhá.

Sférické tvary kapek vody na listech jsou částečně způsobeny povrchovým napětím. Zdroj: fotografie pořízená uživatelem flickr tanakawho

Jedním z těchto jevů je tendence kapalných molekul k aglomeraci ve formě kapek, když spočívají na površích, které je odpuzují. Například kapky vody, které vidíme na horní straně listů, jej nemohou navlhčit kvůli svému voskovitému hydrofobnímu povrchu.

Přichází však čas, kdy hraje roli gravitace a kapka se vysype jako sloupec vody. Podobné jevy se vyskytují ve sférických kapkách rtuti, když se vylijí z teploměru.

Na druhé straně je povrchové napětí vody nejdůležitější ze všech, protože přispívá a organizuje stav mikroskopických těl ve vodném prostředí, jako jsou buňky a jejich lipidové membrány. Kromě toho je toto napětí zodpovědné za to, že se voda odpařuje pomalu a některá těla jsou hustší, než může plavat na svém povrchu.

Příčiny povrchového napětí

Vysvětlení fenoménu povrchového napětí je na molekulární úrovni. Molekuly kapaliny spolu interagují takovým způsobem, že jsou koherentní ve svých nepravidelných pohybech. Molekula interaguje se svými sousedy vedle ní as těmi nad nebo pod ní.

K tomu však nedochází u molekul na povrchu kapaliny, které jsou ve styku se vzduchem (nebo jiným plynem), nebo s pevnou látkou. Molekuly na povrchu nemohou soudržnost s molekulami vnějšího prostředí.

Výsledkem je, že nezažívají žádné síly, které by je tlačily nahoru; pouze dolů, od svých sousedů v tekutém médiu. Aby se vyrovnala tato nerovnováha, molekuly na povrchu „stlačily“, protože pouze tak mohou překonat sílu, která je tlačí dolů.

Poté se vytvoří povrch, kde jsou molekuly ve více napjatém uspořádání. Pokud částice chce proniknout kapalinou, musí nejprve procházet touto molekulární bariérou úměrnou povrchovému napětí uvedené kapaliny. Totéž platí pro částici, která chce uniknout do vnějšího prostředí z hloubky kapaliny.

Proto se jeho povrch chová, jako by to byl elastický film, který vykazuje odolnost proti deformaci.

Jednotky

Povrchové napětí je obvykle reprezentováno symbolem y a je vyjádřeno v jednotkách N / m, síla krát délka. Většinou je však jednotkou dyn / cm. Jeden lze převést na druhý pomocí následujícího konverzního faktoru:

1 dyn / cm = 0,001 N / m

Povrchové napětí vody

Voda je nejvzácnější a nejúžasnější ze všech tekutin. Povrchové napětí a několik jeho vlastností jsou neobvykle vysoké: 72 dyn / cm při pokojové teplotě. Tato hodnota se může zvýšit na 75,64 dyn / cm při teplotě 0 ° C; nebo snížit na 58,85 ° C, při teplotě 100 ° C.

Tato pozorování mají smysl, když si uvědomíte, že molekulární bariéra se napíná ještě více při teplotách blízkých mrznutí nebo se „uvolňuje“ o něco více kolem bodu varu.

Voda má díky svým vodíkovým vazbám vysoké povrchové napětí. Pokud jsou samy o sobě patrné v kapalině, jsou ještě více na povrchu. Molekuly vody jsou silně zapletený, tvořící dipól-dipól interakce H ₂ typu O-HOH.

Molekuly vody jsou k sobě přitahovány; jsou spojeny vodíkovými vazbami

Taková je účinnost jejich interakcí, že vodná molekulární bariéra může dokonce podporovat některá těla, než se potopí. V sekci aplikací a experimentů se vrátíme k tomuto bodu.

Další příklady

Všechny kapaliny vykazují povrchové napětí, a to v menší či větší míře než voda, nebo zda se jedná o čisté látky nebo roztoky. Jak silné a napjaté jsou molekulární bariéry jeho povrchů, bude záviset přímo na jejich intermolekulárních interakcích, jakož i na strukturálních a energetických faktorech.

Kondenzované plyny

Například molekuly plynů v kapalném stavu vzájemně interagují pouze prostřednictvím londýnských disperzních sil. To odpovídá skutečnosti, že jejich povrchové napětí má nízké hodnoty:

- kapalné helium, 0,37 dyn / cm při -273 ° C

-Kapalný dusík, 8,85 dyn / cm při -196 ° C

- Kapalný kyslík, 13,2 dyn / cm při -182 ° C

Povrchové napětí tekutého kyslíku je vyšší než povrchové napětí helia, protože jeho molekuly mají větší hmotnost.

Nepolární tekutiny

Očekává se, že nepolární a organické kapaliny budou mít vyšší povrchové napětí než tyto kondenzované plyny. Mezi některými z nich máme následující:

-Dietilether, 17 dyn / cm při 20 ° C

- n-hexan, 18,40 dyn / cm při 20 ° C

- n-oktan, 21,80 dyn / cm při 20 ° C

-Toluen, 27,73 dyn / cm při 25 ° C

Podobný trend je pozorován pro tyto kapaliny: povrchové napětí se zvyšuje se zvyšováním jejich molekulárních hmot. Nicméně n-oktan by proto měl mít nejvyšší povrchové napětí a ne toluen. Zde začnou hrát molekulární struktury a geometrie.

Molekuly toluenu, ploché a prstencové, mají účinnější interakce než n-oktan. Povrch toluenu je proto „pevnější“ než povrch n-oktanu.

Polární kapaliny

Protože mezi molekulami polární kapaliny dochází k silnějším interakcím dipól-dipól, je jejich tendence vykazovat vyšší povrchové napětí. Ale není tomu tak vždy. Mezi příklady patří:

- kyselina octová, 27,60 dyn / cm při 20 ° C

-Aceton, 23,70 dyn / cm při 20 ° C

- Krv, 55,89 dyn / cm při 22 ° C

- Ethanol, 22,27 dyn / cm při 20 ° C

-Glycerol, 63 dyn / cm při 20 ° C

- Kondenzovaný chlorid sodný, 163 dyn / cm při 650 ° C

- 6 M roztok NaCl, 82,55 dyn / cm při 20 ° C

Očekává se, že roztavený chlorid sodný bude mít obrovské povrchové napětí - je to viskózní iontová kapalina.

Na druhé straně je rtuť jednou z kapalin s největším povrchovým napětím: 487 dyn / cm. V něm je její povrch složen ze silně soudržných atomů rtuti, mnohem více, než mohou být molekuly vody.

Aplikace

Někteří hmyz používá povrchové napětí vody, aby na něj mohl chodit. Zdroj: Pixabay.

Samotné povrchové napětí nemá žádné aplikace. To však neznamená, že se nezúčastňuje různých denních jevů, které by neexistovaly, pokud by neexistovaly.

Například komáři a další hmyz jsou schopni procházet vodou. Je to proto, že jejich hydrofobní nohy odpuzují vodu, zatímco jejich nízká hmotnost jim umožňuje zůstat na hladině molekulární bariéry, aniž by padaly na dno řeky, jezera, rybníka atd.

Povrchové napětí také hraje roli ve smáčivosti kapalin. Čím vyšší je povrchové napětí, tím menší je jeho tendence k prosakování přes póry nebo trhliny v materiálu. Kromě toho to nejsou příliš užitečné kapaliny pro čištění povrchů.

Čistící prostředky

Právě zde působí detergenty, které snižují povrchové napětí vody a pomáhají jí pokrýt větší povrchy; a zároveň zlepšit jeho odmašťovací účinek. Snížením povrchového napětí vytváří prostor pro molekuly vzduchu, s nimiž vytváří bubliny.

Emulze

Na druhé straně nižší vyšší napětí je spojeno se stabilizací emulzí, které jsou velmi důležité při formulaci různého sortimentu produktů.

Jednoduché experimenty

Kovová spona plovoucí v důsledku povrchového napětí vody. Zdroj: Alvesgaspar

Nakonec budou citovány některé experimenty, které mohou být provedeny v jakémkoli domácím prostoru.

Clip experiment

Kovový klip je umístěn na jeho povrchu ve sklenici se studenou vodou. Jak je vidět na obrázku výše, klip zůstane nad vodou díky povrchovému napětí vody. Pokud se však ke sklenici přidá trochu lávového porcelánu, povrchové napětí dramaticky poklesne a sponka na papír se náhle ponoří.

Papírová lodička

Pokud máme na povrchu papírovou loď nebo dřevěnou paletu a pokud je myčka nebo čisticí prostředek přidán k hlavě tampónu, objeví se zajímavý jev: bude odpuzování, které je bude šířit směrem k okrajům skla. Papírový člun a dřevěná paleta se budou pohybovat pryč od tampónu namazaného čisticím prostředkem.

Další podobný a grafičtější experiment spočívá v opakování stejné operace, ale v kbelíku s vodou posypaným černým pepřem. Částice černého pepře se odtrhnou a povrch se změní z pepře pokrytého na křišťálově čirý, s pepřem na okrajích.

Reference

1. Whitten, Davis, Peck a Stanley. (2008). Chemie (8. ed.). CENGAGE Učení.
2. Wikipedia. (2020). Povrchové napětí. Obnoveno z: en.wikipedia.org
3. USGS. (sf). Povrchové napětí a voda. Obnoveno z: usgs.gov
4. Jones, Andrew Zimmerman. (12. února 2020). Povrchové napětí - definice a experimenty. Obnoveno z: thinkco.com
5. Susanna Laurén. (15. listopadu 2017). Proč je povrchové napětí důležité? Biolin Scientific. Obnoveno z: blog.biolinscientific.com
6. Rookie rodičovství vědy. (7. listopadu 2019). Co je povrchové napětí - Cool Science Experiment. Obnoveno z: rookieparenting.com
7. Jessica Munk. (2020). Experimenty s povrchovým napětím. Studie. Obnoveno z: study.com
8. Dítě by to mělo vidět. (2020). Sedm experimentů povrchového napětí - Fyzika Girl. Obnoveno z: thekidshouldseethis.com