ПОВЪРХНОСТНО НАПРЕЖЕНИЕ: ПРИЧИНИ, ПРИМЕРИ, ПРИЛОЖЕНИЯ И ЕКСПЕРИМЕНТИ - ХИМИЯ - 2025

На напрежението повърхност е физично свойство като всички течности и се характеризира с устойчивост към техните повърхности се противопоставят на всяко увеличение на площта. Това е същото като да се каже, че споменатата повърхност ще търси възможно най-малката площ. Това явление преплита няколко химически понятия, като кохезия, адхезия и междумолекулни сили.

Повърхностното напрежение е отговорно за образуването на повърхностни кривини на течности в тръбни съдове (градуирани цилиндри, колони, епруветки и др.). Те могат да бъдат вдлъбнати (извити във формата на долина) или изпъкнали (извити във форма на купол). Много физически явления могат да бъдат обяснени, като се вземат предвид промените, които повърхностното напрежение на една течност претърпява.

Сферичните форми, които капките вода приемат върху листата, се дължат отчасти на повърхностното им напрежение. Източник: снимка, направена от flickr потребител tanakawho

Едно от тези явления е склонността на течните молекули да се агломерират под формата на капки, когато почиват върху повърхности, които ги отблъскват. Например, капките вода, които виждаме отгоре на листата, не могат да я намокри поради восъчната си хидрофобна повърхност.

Но идва момент, в който гравитацията играе своята роля и капката се разлива като колона вода. Подобно явление се наблюдава при сферични капки живак при разливане от термометър.

От друга страна, повърхностното напрежение на водата е най-важното от всички, тъй като допринася и организира състоянието на микроскопични тела във водна среда, като клетки и техните липидни мембрани. В допълнение, това напрежение е отговорно за факта, че водата се изпарява бавно, а някои тела по-плътни, отколкото могат да плуват по повърхността му.

Причини за повърхностно напрежение

Обяснението за явлението повърхностно напрежение е на молекулярно ниво. Молекулите на една течност взаимодействат помежду си по такъв начин, че да са сплотени в своите хаотични движения. Молекулата взаимодейства със съседите си до нея и с тези над или под нея.

Това обаче не се случва същото с молекулите на повърхността на течността, които са в контакт с въздух (или друг газ) или с твърдо вещество. Молекулите на повърхността не могат да се сближават с тези на външната среда.

В резултат на това те не изпитват никакви сили, които да ги издърпат нагоре; само надолу, от съседите си в течната среда. За да противодействат на този дисбаланс, молекулите на повърхността се „изстискват“, тъй като само тогава те могат да преодолеят силата, която ги изтласква надолу.

След това се създава повърхност, където молекулите са в по-опъната подредба. Ако частица иска да проникне в течността, тя първо трябва да пресече тази молекулна бариера, пропорционална на повърхностното напрежение на споменатата течност. Същото се отнася и за частица, която иска да избяга във външната среда от дълбините на течността.

Следователно повърхността му се държи така, сякаш е еластичен филм, който показва устойчивост на деформация.

Единици

Повърхностното напрежение обикновено се представя със символа γ и се изразява в единици с N / m, дължина на силата време. Въпреки това, през повечето време неговата единица е dyn / cm. Единият може да бъде преобразуван в друг чрез следния коефициент на преобразуване:

1 dyn / cm = 0,001 N / m

Повърхностно напрежение на водата

Водата е най-редката и най-невероятната от всички течности. Повърхностното му напрежение, както и няколко от свойствата му, са необичайно високи: 72 dyn / cm при стайна температура. Тази стойност може да се увеличи до 75,64 dyn / cm, при температура 0 ºC; или намалете до 58,85 ºC, при температура 100 ºC.

Тези наблюдения имат смисъл, когато вземете предвид, че молекулната бариера се затяга още повече при температури, близки до замръзване, или „разхлабва“ малко повече около точката на кипене.

Водата има високо повърхностно напрежение поради водородните си връзки. Ако те сами по себе си са забележими в течността, те са още повече на повърхността. Водните молекули са силно заплетени, образувайки дипол-диполни взаимодействия от типа Н ₂ О-НОН.

Водните молекули се привличат една към друга; са свързани с водородни връзки

Такава е ефективността на техните взаимодействия, че водната молекулна бариера може дори да поддържа някои тела, преди да потънат. В раздели за приложения и експерименти ще се върнем към тази точка.

Други примери

Всички течности имат повърхностно напрежение или в по-малка или по-голяма степен от водата, или независимо дали са чисти вещества или разтвори. Колко силни и напрегнати са молекулните бариери на повърхностите му, ще зависи пряко от междумолекулните им взаимодействия, както и от структурни и енергийни фактори.

Кондензирани газове

Например молекулите газове в течно състояние взаимодействат помежду си само чрез дисперсивни сили на Лондон. Това е в съответствие с факта, че повърхностните им напрежения имат ниски стойности:

-Течен хелий, 0,37 dyn / cm при -273 ºC

-Течен азот, 8,85 dyn / cm при -196 ° C

-Течен кислород, 13,2 дин / см при -182 ºC

Повърхностното напрежение на течния кислород е по-високо от това на хелия, тъй като молекулите му имат по-голяма маса.

Аполарни течности

Очаква се неполярните и органични течности да имат по-високо повърхностно напрежение от тези кондензирани газове. Сред някои от тях имаме следното:

-Детилетер, 17 dyn / cm при 20 ° C

- n-хексан, 18.40 dyn / cm при 20 ° C

- n -Октан, 21.80 dyn / cm при 20 ° C

-Толуен, 27.73 dyn / cm при 25 ° C

Подобна тенденция се наблюдава при тези течности: повърхностното напрежение се увеличава с увеличаването на молекулните им маси. Следователно, n-октанът трябва да има най-високо повърхностно напрежение, а не толуен. Тук молекулните структури и геометрии влизат в игра.

Толуеновите молекули, плоски и пръстеновидни, имат по-ефективни взаимодействия от п-октановите. Следователно повърхността на толуола е "по-плътна" от повърхността на n-октан.

Полярни течности

Тъй като има по-силни дипол-диполни взаимодействия между молекулите на полярна течност, тяхната тенденция е да показват по-високо повърхностно напрежение. Но това не винаги е така. Сред някои примери имаме:

-Оцетна киселина, 27,60 dyn / cm при 20 ° C

-Ацетон, 23,70 dyn / cm при 20 ° C

-Кръв, 55,89 dyn / cm при 22 ° C

-Етанол, 22,27 dyn / cm при 20 ° C

-Глицерол, 63 dyn / cm при 20 ºC

-Сплавен натриев хлорид, 163 dyn / cm при 650 ° C

- 6 М разтвор на NaCl, 82.55 dyn / cm при 20 ° C

Очаква се разтопеният натриев хлорид да има огромно повърхностно напрежение - това е вискозна, йонна течност.

От друга страна, живакът е една от течностите с най-високо повърхностно напрежение: 487 dyn / cm. В него повърхността му е съставена от силно сплотени живачни атоми, много повече от молекулите на водата.

Приложения

Някои насекоми използват повърхностното напрежение на водата, за да могат да ходят по нея. Източник: Pixabay

Повърхностното напрежение само няма приложения. Това обаче не означава, че тя не е замесена в различни ежедневни явления, които, ако не ги има, нямаше да се появят.

Например, комарите и други насекоми са в състояние да се разхождат по вода. Това е така, защото хидрофобните им крака отблъскват водата, докато ниската им маса им позволява да стоят на плаващ по молекулярната бариера, без да падат на дъното на реката, езерото, езерцето и т.н.

Повърхностното напрежение също играе роля за омокряемостта на течностите. Колкото по-високо е повърхностното му напрежение, толкова по-малка е склонността му да изтича през пори или пукнатини в даден материал. В допълнение към това, те не са много полезни течности за почистване на повърхности.

Почистващи препарати

Тук действат почистващите препарати, намалявайки повърхностното напрежение на водата и му помага да покрие по-големи повърхности; като същевременно подобрява обезмасляващото му действие. Намалявайки повърхностното си напрежение, той прави място за въздушните молекули, с които образува мехурчета.

Емулсии

От друга страна, долните горни напрежения са свързани със стабилизирането на емулсиите, които са много важни при формулирането на различни гами продукти.

Прости експерименти

Метална щипка, плаваща поради повърхностното напрежение на водата. Източник: Алвесгаспар

Накрая ще бъдат цитирани някои експерименти, които могат да бъдат проведени във всяко домашно пространство.

Експеримент с клип

На повърхността му се поставя метална щипка в чаша със студена вода. Както се вижда на изображението по-горе, клипът ще остане на плаване благодарение на повърхностното напрежение на водата. Но ако към чашата се добави малко лава китай, повърхностното напрежение ще спадне драстично и скобата за хартия изведнъж ще потъне.

Хартиена лодка

Ако на повърхността имаме хартиена лодка или дървен палет и ако съдомиялната машина или миещият препарат се добавят към главата на тампон, тогава ще възникне интересно явление: ще има отблъскване, което ще ги разпространи към краищата на чашата. Хартиената лодка и дървеният палет ще се отдалечат от намазания с почистващия препарат тампон.

Друг подобен и по-графичен експеримент се състои в повторение на същата операция, но в кофа с вода, поръсена с черен пипер. Частиците от черен пипер ще се отклонят и повърхността ще се промени от пипер, покрит до кристално чист, с пипер по краищата.

Препратки

1. Уитън, Дейвис, Пек и Стенли. (2008 г.). Химия (8-мо изд.). CENGAGE Обучение.
2. Wikipedia. (2020). Повърхностно напрежение. Възстановено от: en.wikipedia.org
3. USGS. (SF). Повърхностно напрежение и вода. Възстановени от: usgs.gov
4. Джоунс, Андрю Цимерман. (12 февруари 2020 г.). Повърхностно напрежение - Определение и експерименти. Възстановено от: thinkco.com
5. Сузана Лорен. (15 ноември 2017 г.). Защо повърхностното напрежение е важно? Biolin Scientific. Възстановено от: blog.biolinscientist.com
6. Наука за родители на новобранци. (07 ноември 2019 г.). Какво е повърхностно напрежение - Cool научен експеримент. Възстановена от: rookieparenting.com
7. Джесика Мунк. (2020). Експерименти с повърхностно напрежение. Изследване. Възстановено от: study.com
8. Хлапето трябва да вижда това. (2020). Седем експеримента за повърхностно напрежение - Physics Girl. Възстановено от: thekidshouldseethis.com