PAVIRŠIAUS ĮTEMPIMAS: PRIEŽASTYS, PAVYZDŽIAI, PRITAIKYMAI IR EKSPERIMENTAI - CHEMIJA - 2025

Paviršiaus įtemptis yra fizinis objekto turintys visas skysčių ir pasižymi atsparumu jų paviršius priešintis bet kuria jos srities didėjimas. Tai yra tas pats, kas pasakyti, kad minėtas paviršius siekia kuo mažesnį plotą. Šis reiškinys susipina su keliomis cheminėmis sąvokomis, tokiomis kaip sanglauda, ​​sukibimas ir tarpmolekulinės jėgos.

Paviršiaus įtempimas yra atsakingas už skysčių paviršiaus kreivių susidarymą vamzdiniuose induose (graduoti cilindrai, kolonos, mėgintuvėliai ir kt.). Jos gali būti įgaubtos (išlenktos slėnio formos) arba išgaubtos (išlenktos kupolo formos). Daugelį fizikinių reiškinių galima paaiškinti įvertinus pokyčius, kuriuos patiria skysčio paviršiaus įtempis.

Sferines formas, kurias vandens lašai užima ant lapų, iš dalies lemia jų paviršiaus įtempis. Šaltinis: nuotrauka, padaryta „flickr“ vartotojo tanakawho

Vienas iš šių reiškinių yra skystų molekulių polinkis aglomeruotis lašelių pavidalu, kai jos ilsisi ant juos atstumiančių paviršių. Pvz., Vandens lašai, kuriuos matome ant lapų, negali jų sudrėkinti dėl savo vaško, hidrofobinio paviršiaus.

Tačiau ateina laikas, kai gravitacija vaidina savo vaidmenį ir lašas išsilieja kaip vandens kolona. Panašus reiškinys būna sferiniuose gyvsidabrio lašuose, išsiliejusiame iš termometro.

Kita vertus, vandens paviršiaus įtempis yra pats svarbiausias iš visų, nes jis prisideda prie mikroskopinių kūnų, esančių vandeninėse terpėse, tokiose kaip ląstelės ir jų lipidų membranos, būklės ir ją tvarko. Be to, ši įtampa lemia tai, kad vanduo išgaruoja lėtai, o kai kurie kūnai yra tankesni nei jis gali plūduriuoti jo paviršiuje.

Paviršiaus įtempimo priežastys

Paviršiaus įtempimo reiškinys paaiškinamas molekuliniu lygmeniu. Skysčio molekulės sąveikauja tarpusavyje taip, kad būtų vientisos judesių metu. Molekulė sąveikauja su šalia esančiais kaimynais ir su aukščiau ar žemiau esančiais kaimynais.

Tačiau tai vyksta ne su skysčio paviršiaus molekulėmis, kurios liečiasi su oru (ar kitomis dujomis), ar su kieta medžiaga. Paviršiaus molekulės negali susilieti su išorinės aplinkos molekulėmis.

Dėl to jie nepatiria jokių jėgų, kurios juos trauktų aukštyn; tik žemyn, nuo kaimynų skystoje terpėje. Norėdami neutralizuoti šį disbalansą, ant paviršiaus esančios molekulės „išspaudžiamos“, nes tik tada jos gali įveikti jėgą, kuri jas stumia žemyn.

Tada sukuriamas paviršius, kuriame molekulės yra labiau įtemptos. Jei dalelė nori įsiskverbti į skystį, ji pirmiausia turi kirsti šį molekulinį barjerą, proporcingą minėto skysčio paviršiaus įtempiui. Tas pats pasakytina apie dalelę, norinčią pabėgti į išorinę aplinką iš skysčio gelmių.

Todėl jo paviršius elgiasi taip, tarsi būtų elastinga plėvelė, parodanti atsparumą deformacijai.

Vienetai

Paviršiaus įtempimas paprastai žymimas simboliu γ ir yra išreiškiamas N / m, jėgos ir ilgio vienetais. Tačiau dažniausiai jo vienetas yra dyn / cm. Vieną galima konvertuoti į kitą taikant šį perskaičiavimo koeficientą:

1 dyn / cm = 0,001 N / m

Vandens paviršiaus įtempis

Vanduo yra pats rečiausias ir nuostabiausias iš visų skysčių. Jo paviršiaus įtempimas, kaip ir kelios jo savybės, yra neįprastai didelis: 72 dyn / cm kambario temperatūroje. Ši vertė 0 ° C temperatūroje gali padidėti iki 75,64 dyn / cm; arba sumažėja iki 58,85 ºC, esant 100 ºC temperatūrai.

Šie pastebėjimai yra prasmingi, kai manote, kad molekulinis barjeras dar labiau įtempia, kai temperatūra artima užšalimui, arba šiek tiek labiau „atsilaisvina“ aplink virimo tašką.

Dėl vandenilio jungčių vanduo turi didelę paviršiaus įtempį. Jei jie savaime pastebimi skystyje, jie dar labiau jaučiasi paviršiuje. Vandens molekulės yra stipriai įsipainiojusios, sudarydamos H ₂ O-HOH tipo dipolio-dipolio sąveiką .

Vandens molekulės traukia viena kitą; yra sujungti vandenilio jungtimis

Jų sąveikos efektyvumas yra tas, kad vandeninis molekulinis barjeras netgi gali palaikyti kai kuriuos kūnus prieš jiems nuskendant. Programų ir eksperimentų skyriuose grįšime prie šio punkto.

Kiti pavyzdžiai

Visų skysčių paviršiaus įtempis yra mažesnis ar didesnis nei vandens, ar jie yra grynos medžiagos ar tirpalai. Kokie stiprūs ir įtempti yra jo paviršių molekuliniai barjerai, tiesiogiai priklausys nuo jų tarpmolekulinių sąveikų, taip pat nuo struktūrinių ir energetinių veiksnių.

Kondensuotos dujos

Pvz., Skysto pavidalo dujų molekulės sąveikauja tik per Londono dispersines jėgas. Tai atitinka faktą, kad jų paviršiaus įtempiai turi mažas vertes:

-Skyrusis helis, 0,37 dyn / cm -273 ºC temperatūroje

- Skystas azotas, 8,85 dyn / cm, esant -196 ºC

-Skyrus deguonis, 13,2 dyn / cm -182 ºC temperatūroje

Skysto deguonies paviršiaus įtempis yra didesnis nei helio, nes jo molekulių masė didesnė.

Poliniai skysčiai

Manoma, kad nepolinių ir organinių skysčių paviršiaus įtempiai bus didesni nei šių kondensuotų dujų. Tarp kai kurių iš jų turime šias:

-Dietileteris, 17 dyn / cm, esant 20 ºC

- n-heksanas, 18,40 dyn / cm, esant 20 ° C

- n-oktanas, 21,80 dyn / cm, esant 20 ° C

-Toluenas, 27,73 dyn / cm, esant 25 ºC

Panaši tendencija pastebima ir šiems skysčiams: paviršiaus įtempis didėja didėjant jų molekulinėms masėms. Tačiau n-oktano paviršiaus įtempis turėtų būti didžiausias, o ne tolueno. Čia svarbios molekulinės struktūros ir geometrijos.

Plokščios ir žiedo formos tolueno molekulės sąveikauja efektyviau nei n-oktanas. Todėl tolueno paviršius yra „griežtesnis“ nei n-oktano paviršiaus.

Poliniai skysčiai

Kadangi tarp polinio skysčio molekulių yra stipresnė dipolio-dipolio sąveika, jų tendencija yra didesnė paviršiaus įtampa. Bet ne visada taip yra. Tarp keleto pavyzdžių, kuriuos turime:

-Acto rūgštis, 27,60 dyn / cm, esant 20 ºC

-Acetonas, 23,70 dyn / cm, esant 20 ºC

-Krauminis, 55,89 dyn / cm, esant 22 ºC

-Etanolis, 22,27 dyn / cm, esant 20 ºC

-Glicerolis, 63 dyn / cm, esant 20 ºC

- Lydytas natrio chloridas, 163 dyn / cm, esant 650 ºC

- 6 M NaCl tirpalas, 82,55 dyn / cm, esant 20 ° C

Manoma, kad išlydytas natrio chloridas turės didžiulį paviršiaus įtempimą - tai klampus, joninis skystis.

Kita vertus, gyvsidabris yra vienas iš skysčių, kurio paviršiaus įtempis yra didžiausias: 487 dyn / cm. Jame jo paviršių sudaro stipriai rišantys gyvsidabrio atomai, daug daugiau, nei gali būti vandens molekulės.

Programos

Kai kurie vabzdžiai naudoja vandens paviršiaus įtempimą, kad galėtų juo vaikščioti. Šaltinis: „Pixabay“.

Vien tik paviršiaus įtempimas nėra pritaikomas. Tačiau tai nereiškia, kad jis nedalyvauja įvairiuose kasdieniuose reiškiniuose, kurie, jei jų nebūtų, neįvyktų.

Pavyzdžiui, uodai ir kiti vabzdžiai sugeba vaikščioti per vandenį. Taip yra todėl, kad jų hidrofobinės kojos atstumia vandenį, o maža jų masė leidžia jiems išlikti paviršiuje ant molekulinio barjero, nenukritus į upės, ežero, tvenkinio ir kt. Dugną.

Paviršiaus įtempimas taip pat turi įtakos skysčių drėgnumui. Kuo didesnis jo paviršiaus įtempis, tuo mažesnis jo polinkis nutekėti pro medžiagos poras ar įtrūkimus. Be viso to, jie nėra labai naudingi skysčiai paviršiams valyti.

Plovikliai

Būtent čia veikia plovikliai, mažinantys vandens paviršiaus įtempimą ir padedantys padengti didesnius paviršius; tuo pačiu pagerindamas riebalų šalinimo veiksmus. Sumažindamas paviršiaus įtempimą, jis suteikia vietos oro molekulėms, su kuriomis sudaro burbuliukus.

Emulsijos

Kita vertus, mažesnė didesnė įtampa yra susijusi su emulsijų stabilizavimu, kurie yra labai svarbūs formuojant skirtingą produktų asortimentą.

Paprasti eksperimentai

Metalinis spaustukas plūduriuoja dėl vandens paviršiaus įtempimo. Šaltinis: Alvesgaspar

Galiausiai bus paminėti keli eksperimentai, kuriuos galima atlikti bet kurioje namų erdvėje.

Klipo eksperimentas

Ant jo paviršiaus stiklinėje su šaltu vandeniu uždedamas metalinis spaustukas. Kaip matyti aukščiau esančiame paveikslėlyje, spaustukas išliks paviršiuje dėl vandens paviršiaus įtempimo. Bet jei į stiklinę įlašinsite truputį lavos chna, paviršiaus įtempis dramatiškai sumažės, o sąvaržėlė staigiai kris.

Popierinė valtis

Jei ant paviršiaus turime popierinę valtį ar medinį padėklą, o jei indaplovės ar ploviklio dedame į tampono galvą, tada įvyks įdomus reiškinys: atsiras atstumimas, kuris juos išplatins stiklo kraštų link. Popieriaus valtis ir medinis padėklas pasislinks nuo plovikliu sutepto tampono.

Kitas panašus ir grafiškesnis eksperimentas susideda iš tos pačios operacijos pakartojimo, tačiau į kibirą vandens, apibarstyto juodaisiais pipirais. Juodųjų pipirų dalelės nubyrės, o jų paviršius pasikeis - nuo padengtų pipirų iki skaidrumo, o pipirai kraštuose.

Nuorodos

1. Whittenas, Davisas, Peckas ir Stanley. (2008). Chemija (8-asis leidimas). CENGAGE mokymasis.
2. Vikipedija. (2020). Paviršiaus įtempimas. Atkurta iš: en.wikipedia.org
3. USGS. (sf). Paviršiaus įtempimas ir vanduo. Atkurta iš: usgs.gov
4. Jonesas, Andrew Zimmermanas. (2020 m. Vasario 12 d.). Paviršiaus įtempimas - apibrėžimas ir eksperimentai. Atgauta iš: thinkco.com
5. Susanna Laurén. (2017 m. Lapkričio 15 d.). Kodėl paviršiaus įtempimas yra svarbus? „Biolin Scientific“. Atkurta iš: blog.biolinschemical.com
6. „Rookie“ tėvystės mokslas. (2019 m. Lapkričio 07 d.). Kas yra paviršiaus įtempimas - puikus mokslo eksperimentas. Atkurta iš: rookieparenting.com
7. Jessica Munk. (2020). Paviršiaus tempimo eksperimentai. Tyrimas. Atgauta iš: study.com
8. Vaikas turėtų tai pamatyti. (2020). Septyni paviršiaus įtempimo eksperimentai - fizikos mergina. Atkurta iš: thekidshouldseethis.com