КАПИЛЯРНОСТ: ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПРИМЕР ВЪВ ВОДА - ХИМИЯ - 2025

В капилярността е собственост на течности, което им позволява да се движат тръбни отвори или порести повърхности дори срещу гравитацията. За това трябва да има баланс и координация на две сили, свързани с молекулите на течността: кохезия и адхезия; тези две имат физическо отражение, наречено повърхностно напрежение.

Течността трябва да бъде в състояние да намокри вътрешните стени на тръбата или порите на материала, през който пътува. Това се случва, когато силата на адхезия (течно-капилярна стена на тръбата) е по-голяма от силата на междумолекулна кохезия. Следователно молекулите на течността създават по-силни взаимодействия с атомите на материала (стъкло, хартия и др.), Отколкото една с друга.

Източник: MesserWoland чрез Wikipedia

Класическият пример за капилярност е илюстриран в сравнението на това свойство за две много различни течности: вода и живак.

На изображението по-горе се вижда, че водата се издига нагоре по стените на тръбата, което означава, че има по-големи сили на сцепление; докато с живак се получава обратното, тъй като неговите сили на сцепление, от метална връзка, не му позволяват да намокри стъклото.

Поради тази причина водата образува вдлъбнат менискус, а живакът - изпъкнал менискус във формата на купол. Трябва също да се отбележи, че колкото по-малък е радиусът на тръбата или секцията, през която преминава течността, толкова по-голяма е височината или изминатото разстояние (сравнете височините на водните колони и за двете тръби).

Капилярни характеристики

-Повърхност на течността

Повърхността на течността, да се каже вода, в капиляр е вдлъбната; тоест менискусът е вдлъбнат. Тази ситуация възниква, защото резултатът от силите, упражнявани върху молекулите на водата в близост до стената на тръбата, е насочен към нея.

Във всеки менискус има ъгъл на контакт (θ), който е ъгълът, който стената на капилярната тръба образува с линия, допираща се към повърхността на течността в мястото на контакт.

Сили на сцепление и сближаване

Ако силата на адхезия на течността към стената на капиляра преобладава над междумолекулната кохезионна сила, тогава ъгълът е θ <90º; течността мокри капилярната стена и водата се издига през капиляра, наблюдавайки явлението, известно като капилярност.

Когато капка вода се постави върху повърхността на чиста чаша, водата се разпространява върху чашата, така че θ = 0 и cos θ = 1.

Ако междумолекулната кохезионна сила надделява над адхезионната сила на течно-капилярната стена, например в живак, менискусът ще бъде изпъкнал и ъгълът θ ще има стойност> 90 °; живакът не намокри стената на капилярите и следователно тече надолу по вътрешната му стена.

Когато върху повърхността на чиста чаша се постави капка живак, капката поддържа формата си и ъгъла θ = 140º.

-Height

Водата се издига през капилярната тръба, докато достигне височина (h), в която теглото на водния стълб компенсира вертикалния компонент на междумолекулната кохезионна сила.

С увеличаването на повече вода ще дойде момент, в който гравитацията ще спре изкачването си, дори когато повърхностното напрежение работи във ваша полза.

Когато това се случи, молекулите не могат да продължат да се „изкачват” по вътрешните стени и всички физически сили се изравняват. От една страна имате силите, които насърчават издигането на водата, а от друга собствената си тежест, изтласквайки я надолу.

Законът на Юрин

Това може да се запише математически по следния начин:

2 π rϒcosθ = ρgπr ² h

Където лявата страна на уравнението зависи от повърхностното напрежение, чиято величина също е свързана с кохезията или междумолекулните сили; Cosθ представлява контактния ъгъл, а r радиусът на отвора, през който течността се издига.

И от дясната страна на уравнението имаме височината h, силата на гравитацията g и плътността на течността; която би била водата.

Тогава решаване за h имаме

h = (2ϒcosθ / ρgr)

Този състав е известен като закон на Юрин, който определя височината, достигната от колоната на течността, в капилярната тръба, когато теглото на колоната с течност е балансирано със силата на издигане чрез капилярно действие.

-Повърхностно напрежение

Водата е диполна молекула, поради електроотрицателността на кислородния атом и неговата молекулярна геометрия. Това причинява частта от водната молекула, където се намира кислородът, да се зареди отрицателно, докато частта от водната молекула, съдържаща 2 водородни атома, се зареди положително.

Молекулите в течността взаимодействат благодарение на това чрез множество водородни връзки, като ги държат заедно. Обаче молекулите на водата, които са във водата: въздушен интерфейс (повърхност), са подложени на мрежово привличане от молекулите на синуса на течността, не компенсирано от слабото привличане с молекулите на въздуха.

Следователно водните молекули на интерфейса са подложени на атрактивна сила, която има тенденция да премахва водни молекули от интерфейса; с други думи, водородните връзки, образувани с молекулите в дъното, влачат тези, които са на повърхността. По този начин повърхностното напрежение се стреми да намали повърхността на интерфейса вода: въздух.

Връзка с h

Ако погледнем законното уравнение на Юрин, ще открием, че h е пряко пропорционален на ϒ; следователно, колкото по-високо е повърхностното напрежение на течността, толкова по-голяма е височината, която може да бъде повдигната чрез капиляр или пори на материал.

По този начин се очаква, че при две течности, А и В, с различно повърхностно напрежение, тази с по-голямо повърхностно напрежение ще се покачи на по-голяма височина.

По отношение на този момент може да се заключи, че високото повърхностно напрежение е най-важната характеристика, която определя свойството на капилярите на течност.

-Радиус на капиляра или пората, през която течността се издига

Спазването на закона на Юрин показва, че височината, която течността достига в капиляр или в порите, е обратно пропорционална на радиуса на същия.

Следователно, колкото по-малък е радиусът, толкова по-голяма е височината, която течният стълб достига чрез капилярно действие. Това може да се види директно на изображението, където водата се сравнява с живак.

В стъклена тръба с радиус от 0,05 мм водният стълб на капилярност ще достигне височина 30 cm. В капилярни тръби с радиус 1 µm с налягане на засмукване 1,5 x 10 ³ hPa (което е равно на 1,5 atm) съответства на изчислението на височината на водния стълб от 14 до 15 м.

Това е много подобно на това, което се случва с онези сламки, които се включват няколко пъти. Отпиването на течността създава разлика в налягането, която кара течността да се издига до устата.

Максималната стойност на височината на колоната, достигната чрез капилярност, е теоретична, тъй като радиусът на капилярите не може да бъде намален над определена граница.

Законът на Пуазел

Това установява, че потокът на истинска течност се дава чрез следния израз:

Q = (πr ⁴ / 8ηl) ΔP

Където Q е потокът на течността, η е нейният вискозитет, l е дължината на тръбата и ΔP е разликата в налягането.

Тъй като радиусът на капиляра намалява, височината на колоната с течност, достигната чрез капилярност, трябва да се увеличава за неопределено време. Поазвей обаче посочва, че с намаляване на радиуса, потокът на течността през този капиляр също намалява.

Също така вискозитетът, който е мярка за устойчивост на потока на истинска течност, допълнително ще намали потока на течността.

-Контактен ъгъл (θ)

Колкото по-голяма е стойността на cosθ, толкова по-голяма е височината на водния стълб на капилярност, както е посочено в закона на Юрин.

Ако θ е малък и се доближава до нула (0), cosθ е = 1, така че стойността h ще бъде максимална. Напротив, ако θ е равно на 90º, cosθ = 0 и стойността на h = 0.

Когато стойността на θ е по-голяма от 90 °, какъвто е случаят с изпъкналия менискус, течността не се покачва по капилярност и тенденцията й е да се спуска (както се случва с живак).

Капилярност на водата

Водата има стойност на повърхностното напрежение 72,75 N / m, сравнително висока в сравнение със стойностите за повърхностно напрежение на следните течности:

-Ацетон: 22,75 N / m

-Етилов алкохол: 22,75 N / m

-Хексан: 18.43 N / m

-Метанол: 22.61 N / m.

Следователно водата има изключително повърхностно напрежение, което благоприятства развитието на капилярното явление, така необходимо за усвояването на водата и хранителните вещества от растенията.

В растенията

Източник: Pixabay

Капилярността е важен механизъм за изкачването на сока през ксилемата на растенията, но само по себе си е недостатъчна, за да достави сока към листата на дърветата.

Транспирацията или изпаряването е важен механизъм при издигането на сока през ксилемата на растенията. Листата губят вода чрез изпаряване, генерирайки намаляване на количеството водни молекули, което причинява привличане на водните молекули, присъстващи в капилярните тръби (ксилем).

Водните молекули не действат независимо една от друга, а по-скоро си взаимодействат от силите на Ван дер Ваалс, което ги кара да се изкачват свързани заедно през капилярите на растенията към листата.

В допълнение към тези механизми трябва да се отбележи, че растенията абсорбират вода от почвата чрез осмоза и че положителното налягане, генерирано в корена, задвижва началото на издигането на водата през капилярите на растението.

Препратки

1. Гарсия Франко А. (2010). Повърхностни явления. Възстановено от: sc.ehu.es
2. Повърхностни явления: повърхностно напрежение и капилярност., Възстановени от: ugr.es
3. Wikipedia. (2018). Капилярна. Възстановено от: es.wikipedia.org
4. Risvhan T. (nd) Капилярност в растенията. Възстановено от: academia.edu
5. Хелменстин, Ан Мари, доктор на науките (22 декември 2018 г.). Капилярно действие: Определение и примери. Възстановено от: thinkco.com
6. Елън Елис М. (2018). Капилярно действие на водата: Определение и примери. Изследване. Възстановено от: study.com
7. ScienceStruck персонал. (16 юли 2017 г.). Примери, които обясняват понятието и значението на капилярното действие. Възстановено от: sciencestruck.com