KAPILIARUMAS: VANDENS SAVYBĖS IR PAVYZDYS - CHEMIJA - 2025

Kapilaritāte yra skysčių savybė, kuri leidžia jiems pereiti vamzdinių skylių ar akytas paviršius net prieš sunkio jėgos. Tam turi būti subalansuotos ir suderintos dvi jėgos, susijusios su skysčio molekulėmis: sanglauda ir sukibimas; šie du turi fizinį atspindį, vadinamą paviršiaus įtempiu.

Skystis turi sugebėti sudrėkinti vidines vamzdelio sieneles ar medžiagos, pro kurią jis patenka, poras. Tai įvyksta, kai sukibimo jėga (skysčio-kapiliarinio vamzdžio sienelė) yra didesnė už tarpmolekulinę sanglaudos jėgą. Taigi skysčio molekulės sukuria stipresnę sąveiką su medžiagos atomais (stiklu, popieriumi ir kt.) Nei tarpusavyje.

Šaltinis: „MesserWoland“ per Vikipediją

Klasikinis kapiliarumo pavyzdys iliustruotas palyginus šią savybę dviem labai skirtingiems skysčiams: vandeniui ir gyvsidabriui.

Aukščiau esančiame paveikslėlyje galima pamatyti, kad vanduo iškyla aukštyn vamzdžio sienelėmis, vadinasi, jis turi didesnes sukibimo jėgas; o su gyvsidabriu įvyksta priešingai, nes jo metalinės jungties jėgos neleidžia stiklui sušlapti.

Dėl šios priežasties vanduo sudaro įgaubtą meniską, o gyvsidabris - išgaubtą (kupolo formos) meniską. Taip pat reikėtų atkreipti dėmesį, kad kuo mažesnis vamzdžio ar sekcijos, per kurią skystis eina, spindulys, tuo didesnis nuvažiuoto aukštis ar atstumas (palyginkite abiejų vamzdžių vandens kolonų aukščius).

Kapiliarumo savybės

-Skydžio paviršius

Skystumo, tarkime, vandens, kapiliarų paviršius yra įgaubtas; tai yra, meniskas yra įgaubtas. Ši situacija susidaro todėl, kad jėgos, veikiamos vandens molekulėms prie vamzdžio sienos, yra nukreiptos į ją.

Kiekviename meniskoje yra kontaktinis kampas (θ), kuris yra kapiliarinio vamzdelio sienos su linija, liečiančia skysčio paviršių liesties taške, suformuota kampas.

Sukibimo ir sanglaudos jėgos

Jei skysčio sukibimo jėga su kapiliarų siena vyrauja virš tarpmolekulinės sanglaudos jėgos, tada kampas yra θ <90º; skystis šlapina kapiliarų sienelę, o vanduo kyla per kapiliarą, stebėdamas kapiliarumą.

Kai lašas vandens uždedamas ant švaraus stiklo paviršiaus, vanduo pasklinda virš stiklo, taigi so = 0 ir cos θ = 1.

Jei tarpmolekulinė sanglaudos jėga yra didesnė už skysčio-kapiliarų sienos sukibimo jėgą, pavyzdžiui, gyvsidabriu, meniskas bus išgaubtas, o kampo θ vertė bus> 90º; gyvsidabris nesušlapina kapiliarų sienos ir todėl nubėga žemyn jo vidinės sienos.

Kai gyvsidabrio lašas uždedamas ant švaraus stiklo paviršiaus, lašas išlaiko savo formą ir kampą θ = 140º.

-Aukštis

Vanduo kyla per kapiliarinį vamzdelį, kol pasiekia aukštį (h), kuriame vandens kolonos svoris kompensuoja vertikalią tarpmolekulinės sanglaudos jėgos sudedamąją dalį.

Kylant daugiau vandens, ateis taškas, kai gravitacija sustabdys jo kilimą, net jei paviršiaus įtempimas veikia jūsų naudai.

Kai tai atsitiks, molekulės negali toliau „lipti“ vidinėmis sienomis, o visos fizinės jėgos susilygins. Viena vertus, jūs turite jėgas, kurios skatina vandens kilimą, kita vertus, jūsų pačių svoris jį stumia žemyn.

Jurino įstatymas

Tai gali būti matematiškai parašyta taip:

2 π rϒcosθ = ρgπr ² val

Kai kairioji lygties pusė priklauso nuo paviršiaus įtempio, kurio dydis taip pat yra susijęs su sanglaudos ar tarpmolekulinėmis jėgomis; „Cosθ“ žymi kontaktinį kampą ir r skylės, per kurią skystis kyla, spindulį.

O dešinėje lygties pusėje turime aukštį h, gravitacijos jėgą g ir skysčio tankį; kuris būtų vanduo.

Sprendimas tada h mes turime

h = (2ϒcosθ / ρgr)

Ši formulė yra žinoma kaip Jurino dėsnis, kuris nusako skysčio kolonėlės pasiektą aukštį kapiliariniame vamzdyje, kai skysčio kolonėlės svoris subalansuotas kylant jėgai kapiliariniu būdu.

-Paviršiaus įtempimas

Vanduo yra dipolio molekulė dėl deguonies atomo elektronegatyvumo ir jo molekulinės geometrijos. Dėl to vandens molekulės dalis, kurioje yra deguonis, tampa neigiamai įkrauta, o vandens molekulės dalis, kurioje yra 2 vandenilio atomai, tampa teigiamai įkrauta.

Dėl to skystyje esančios molekulės sąveikauja per daug vandenilio jungčių, laikydamos jas kartu. Tačiau vandens molekulių, esančių vandenyje: oro sąsajoje (paviršiuje), skysčio sinuso molekulės yra veikiamos grynosios, o jų nekompensuoja silpnas oro molekulių traukimas.

Todėl vandens molekulės sąsajoje yra veikiamos patrauklią jėgą, linkusią pašalinti vandens molekules iš sąsajos; kitaip tariant, vandenilio jungtys, susiformavusios su molekulėmis apačioje, tempia tas, kurios yra paviršiuje. Taigi paviršiaus įtempimas siekia sumažinti vandens ir oro paviršiaus sąsają.

Santykis su h

Pažvelgę ​​į Jurino dėsnių lygtį, pamatysime, kad h yra tiesiogiai proporcingas ϒ; todėl kuo didesnis skysčio paviršiaus įtempis, tuo didesnį aukštį gali padidinti medžiagos kapiliaras ar poros.

Tikimasi, kad tokiu būdu dviem skysčiams, A ir B, kurių paviršiaus įtempiai yra skirtingi, tas, kurio paviršiaus įtempis didesnis, pakils į didesnį aukštį.

Šiuo klausimu galima daryti išvadą, kad didelis paviršiaus įtempis yra svarbiausia savybė, apibrėžianti skysčio kapiliarinę savybę.

- kapiliarų ar porų, per kurias teka skystis, spindulys

Jurino dėsnio stebėjimas rodo, kad aukštis, kurį skystis pasiekia kapiliare ar poroje, yra atvirkščiai proporcingas to paties spinduliui.

Todėl, kuo mažesnis spindulys, tuo didesnį aukštį skysčio kolonėlė pasiekia kapiliariniu būdu. Tai galima pamatyti tiesiogiai paveikslėlyje, kuriame vanduo lyginamas su gyvsidabriu.

Stikliniame vamzdyje, kurio spindulys yra 0,05 mm, vandens kolonėlės kapiliarumas pasieks 30 cm aukštį. Kapiliariniuose vamzdeliuose, kurių spindulys yra 1 μm ir kurių siurbimo slėgis yra 1,5 x 10 ³ hPa (kuris yra lygus 1,5 atm), apskaičiuojamas vandens stulpelio aukštis nuo 14 iki 15. m.

Tai labai panašu į tai, kas nutinka su tais šiaudeliais, kurie kelis kartus įsijungia. Gurkšnodami skystį susidaro slėgio skirtumas, dėl kurio skystis kyla iki burnos.

Didžiausia kapiliarumo pasiekta kolonėlės aukščio vertė yra teorinė, nes kapiliarų spindulys negali būti sumažintas per tam tikrą ribą.

Poiseuille'io dėsnis

Tai patvirtina, kad tikrojo skysčio srautas nustatomas taip:

Q = (πr ⁴ / 8ηl) ΔP

Kur Q yra skysčio srautas, η yra jo klampumas, l yra vamzdžio ilgis, o ΔP yra slėgio skirtumas.

Mažėjant kapiliarų spinduliui, skysčio kolonėlės, kurią pasiekia kapiliarumas, aukštis turėtų neribotą laiką didėti. Tačiau Poiseuille pažymi, kad mažėjant spinduliui, mažėja ir skysčių srautas per tą kapiliarą.

Be to, klampumas, kuris yra atsparumo tikro skysčio srautui matas, dar labiau sumažintų skysčio srautą.

-Kontaktinis kampas (θ)

Kuo didesnė cosθ vertė, tuo didesnis vandens kolonėlės aukštis kapiliariškumui, kaip nurodyta Jurino įstatyme.

Jei θ yra mažas ir artėja prie nulio (0), cosθ yra = 1, taigi h vertė bus didžiausia. Priešingai, jei θ yra lygus 90º, cosθ = 0 ir h = 0 reikšmė.

Kai θ vertė yra didesnė nei 90º, kaip yra išgaubto menisko atveju, skystis nepakyla dėl kapiliarumo ir jo tendencija nusileisti (kaip ir gyvsidabrio atveju).

Vandens kapiliarumas

Vandens paviršiaus įtempio vertė yra 72,75 N / m, palyginti aukšta, palyginti su šių skysčių paviršiaus įtempio vertėmis:

-Acetonas: 22,75 N / m

-Etilo alkoholis: 22,75 N / m

-Hexan: 18,43 N / m

-Metanolis: 22,61 N / m.

Todėl vanduo turi išskirtinį paviršiaus įtempimą, kuris skatina vystytis kapiliarumo reiškiniui, būtinam, kad augalai absorbuotų vandenį ir maistines medžiagas.

Augaluose

Šaltinis: „Pixabay“

Kapiliarumas yra svarbus sulčių pakilimo per augalų ksilimą mechanizmas, tačiau vien jos nepakanka, kad sultys patektų į medžių lapus.

Transpiracija arba išgarinimas yra svarbus sulčių kilimo per augalų ksilimą mechanizmas. Lapai praranda vandenį garuodami, todėl sumažėja vandens molekulių kiekis, dėl kurio traukiasi kapiliarų vamzdeliuose esančios vandens molekulės (ksilė).

Vandens molekulės neveikia nepriklausomai viena nuo kitos, o veikdamos Van der Waals jėgas, jas sąveikauja, todėl jos per augalų kapiliarus jungiasi kartu link lapų.

Be šių mechanizmų, reikėtų atkreipti dėmesį į tai, kad augalai osmoso būdu absorbuoja vandenį iš dirvožemio, o šaknyje sukuriamas teigiamas slėgis skatina vandens kilimą per augalo kapiliarus.

Nuorodos

1. García Franco A. (2010). Paviršiniai reiškiniai. Atkurta iš: sc.ehu.es
2. Paviršiaus reiškiniai: paviršiaus įtempis ir kapiliarumas. . Atgauta iš: ugr.es
3. Vikipedija. (2018 m.). Kapiliarumas. Atkurta iš: es.wikipedia.org
4. Risvhan T. (nd) Augalų kapiliarumas. Atkurta iš: academia.edu
5. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (2018 m. Gruodžio 22 d.). Kapiliarinis veiksmas: apibrėžimas ir pavyzdžiai. Atgauta iš: thinkco.com
6. Ellen Ellis M. (2018). Vandens kapiliarinis veikimas: apibrėžimas ir pavyzdžiai. Tyrimas. Atgauta iš: study.com
7. „ScienceStruck“ personalas. (2017 m. Liepos 16 d.). Pavyzdžiai, paaiškinantys kapiliarų veikimo sampratą ir prasmę. Atkurta iš: sciencestruck.com