КАПИЛЛЯРНОСТЬ: ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПРИМЕР В ВОДЕ - ХИМИЯ - 2025

Капиллярное является свойством жидкостей , что позволяет им перемещаться трубчатые отверстия или пористые поверхности даже против силы тяжести. Для этого необходим баланс и координация двух сил, связанных с молекулами жидкости: сцепления и адгезии; эти два имеют физическое отражение, называемое поверхностным натяжением.

Жидкость должна смачивать внутренние стенки трубки или поры материала, через которые она проходит. Это происходит, когда сила адгезии (стенка капиллярной трубки жидкости) больше, чем сила межмолекулярного сцепления. Следовательно, молекулы жидкости создают более сильное взаимодействие с атомами материала (стекла, бумаги и т. Д.), Чем друг с другом.

Источник: MesserWoland через Википедию

Классический пример капиллярности иллюстрируется сравнением этого свойства для двух очень разных жидкостей: воды и ртути.

На изображении выше видно, что вода действительно поднимается вверх по стенкам трубки, а это означает, что у нее больше сил сцепления; в то время как с ртутью происходит обратное, потому что ее силы сцепления, связанные с металлической связью, не позволяют ей смачивать стекло.

По этой причине вода образует вогнутый мениск, а ртуть - выпуклый (куполообразный) мениск. Также следует отметить, что чем меньше радиус трубы или участка, через который проходит жидкость, тем больше высота или пройденное расстояние (сравните высоту водяных столбов для обеих трубок).

Характеристики капиллярности

-Поверхность жидкости

Поверхность жидкости, скажем воды, в капилляре вогнутая; то есть мениск вогнутый. Эта ситуация возникает из-за того, что равнодействующая сил, действующих на молекулы воды у стенки трубки, направлена ​​к ней.

В каждом мениске есть контактный угол (θ), который представляет собой угол, образованный стенкой капиллярной трубки с линией, касательной к поверхности жидкости в точке контакта.

Силы адгезии и когезии

Если сила адгезии жидкости к стенке капилляра преобладает над силой межмолекулярного сцепления, то угол составляет θ <90º; жидкость смачивает стенку капилляра, и вода поднимается по капилляру, наблюдая явление, известное как капиллярность.

Когда капля воды помещается на поверхность чистого стакана, вода растекается по стеклу, поэтому θ = 0 и cos θ = 1.

Если сила межмолекулярного сцепления преобладает над силой адгезии жидкости к стенке капилляра, например, в ртути, мениск будет выпуклым, а угол θ будет иметь значение> 90 °; ртуть не смачивает стенку капилляра и поэтому стекает по его внутренней стенке.

Когда капля ртути помещается на поверхность чистого стекла, она сохраняет свою форму и угол θ = 140º.

-Рост

Вода поднимается по капиллярной трубке до высоты (h), на которой вес водяного столба компенсирует вертикальную составляющую силы межмолекулярного сцепления.

По мере подъема воды наступит момент, когда сила тяжести прекратит подъем, даже если поверхностное натяжение будет работать в вашу пользу.

Когда это происходит, молекулы не могут продолжать «взбираться» по внутренним стенкам, и все физические силы выравниваются. С одной стороны, у вас есть силы, которые способствуют подъему воды, а с другой - ваш собственный вес, толкающий ее вниз.

Закон Юрина

Математически это можно записать следующим образом:

2 π rϒcosθ = ρgπr ² h

Где левая часть уравнения зависит от поверхностного натяжения, величина которого также связана со связью или межмолекулярными силами; Cosθ представляет собой контактный угол, а r - радиус отверстия, через которое поднимается жидкость.

А в правой части уравнения у нас есть высота h, сила тяжести g и плотность жидкости; которая будет водой.

Решая затем для h, мы имеем

h = (2ϒcosθ / ρgr)

Эта формулировка известна как закон Юрина, который определяет высоту, достигаемую столбом жидкости в капиллярной трубке, когда вес столба жидкости уравновешивается силой подъема за счет действия капилляров.

-Поверхностное натяжение

Вода является дипольной молекулой из-за электроотрицательности атома кислорода и его молекулярной геометрии. Это приводит к тому, что часть молекулы воды, где расположен кислород, становится отрицательно заряженной, в то время как часть молекулы воды, содержащая 2 атома водорода, становится положительно заряженной.

Благодаря этому молекулы в жидкости взаимодействуют посредством множественных водородных связей, удерживающих их вместе. Однако молекулы воды, которые находятся на границе раздела вода: воздух (поверхность), подвергаются чистому притяжению со стороны молекул синуса жидкости, не компенсируемому слабым притяжением с молекулами воздуха.

Следовательно, молекулы воды на границе раздела подвергаются силе притяжения, которая стремится удалить молекулы воды с поверхности раздела; другими словами, водородные связи, образованные с молекулами внизу, тянут те, что находятся на поверхности. Таким образом, поверхностное натяжение стремится уменьшить поверхность раздела вода: воздух.

Отношения с h

Если мы посмотрим на уравнение закона Юрина, мы обнаружим, что h прямо пропорционально; следовательно, чем выше поверхностное натяжение жидкости, тем большую высоту может поднять капилляр или пора материала.

Таким образом, ожидается, что для двух жидкостей A и B с различным поверхностным натяжением жидкость с большим поверхностным натяжением поднимется на большую высоту.

В отношении этого момента можно сделать вывод, что высокое поверхностное натяжение является наиболее важной характеристикой, определяющей капиллярные свойства жидкости.

-Радиус капилляра или поры, через которую поднимается жидкость

Соблюдение закона Джурина показывает, что высота, которой достигает жидкость в капилляре или поре, обратно пропорциональна их радиусу.

Следовательно, чем меньше радиус, тем больше высота столба жидкости за счет капиллярного действия. Это видно прямо на изображении, где вода сравнивается с ртутью.

В стеклянной трубке радиусом 0,05 мм столб воды на капиллярность будет достигать высоты 30 см. В капиллярных трубках радиусом 1 мкм при давлении всасывания 1,5 х 10 ³ гПа (что равно 1,5 атм) расчет высоты водяного столба от 14 до 15 м.

Это очень похоже на то, что происходит с соломинками, которые включаются сами по себе несколько раз. При потягивании жидкости создается перепад давления, из-за которой жидкость поднимается ко рту.

Максимальное значение высоты столба, достигаемое капиллярностью, является теоретическим, поскольку радиус капилляров не может быть уменьшен сверх определенного предела.

Закон Пуазейля

Это устанавливает, что течение реальной жидкости задается следующим выражением:

Q = (πr ⁴ / 8ηl) ΔP

Где Q - расход жидкости, η - ее вязкость, l - длина трубки, а ΔP - перепад давления.

По мере уменьшения радиуса капилляра высота столба жидкости, достигаемого за счет капиллярности, должна увеличиваться до бесконечности. Однако Пуазейль указывает, что с уменьшением радиуса поток жидкости через этот капилляр также уменьшается.

Кроме того, вязкость, которая является мерой сопротивления потоку реальной жидкости, еще больше уменьшит поток жидкости.

-Контактный угол (θ)

Чем больше значение cosθ, тем больше высота водяного столба на капиллярность, как указано в Законе Юрина.

Если θ мало и приближается к нулю (0), cosθ = 1, поэтому значение h будет максимальным. Напротив, если θ равно 90º, cosθ = 0 и значение h = 0.

Когда значение θ больше 90 °, что является случаем выпуклого мениска, жидкость не поднимается по капиллярности и имеет тенденцию к опусканию (как это происходит с ртутью).

Капиллярность воды

Вода имеет значение поверхностного натяжения 72,75 Н / м, относительно высокое по сравнению со значениями поверхностного натяжения следующих жидкостей:

-Ацетон: 22,75 Н / м

-Этиловый спирт: 22,75 Н / м

-Гексан: 18,43 Н / м

-Метанол: 22,61 Н / м.

Следовательно, вода обладает исключительным поверхностным натяжением, которое способствует развитию явления капиллярности, столь необходимого для поглощения воды и питательных веществ растениями.

В растениях

Источник: Pixabay

Капиллярность является важным механизмом подъема сока через ксилему растений, но сама по себе она недостаточна для доставки сока к листьям деревьев.

Транспирация или испарение - важный механизм подъема сока через ксилему растений. Листья теряют воду за счет испарения, что приводит к уменьшению количества молекул воды, что вызывает притяжение молекул воды, присутствующих в капиллярных трубках (ксилеме).

Молекулы воды не действуют независимо друг от друга, а взаимодействуют между собой силами Ван-дер-Ваальса, что заставляет их подниматься вверх связанными вместе через капилляры растений к листьям.

В дополнение к этим механизмам следует отметить, что растения поглощают воду из почвы посредством осмоса и что положительное давление, создаваемое в корне, запускает подъем воды через капилляры растения.

Ссылки

1. Гарсиа Франко А. (2010). Поверхностные явления. Получено с: sc.ehu.es
2. Поверхностные явления: поверхностное натяжение и капиллярность. , Восстановлено с: ugr.es
3. Wikipedia. (2018). Капиллярность. Получено с: es.wikipedia.org
4. Рисвхан Т. (б. Д.) Капиллярность растений. Получено с: academia.edu
5. Хельменстин, Энн Мари, доктор философии. (22 декабря 2018 г.). Капиллярное действие: определение и примеры. Получено с: thinkco.com
6. Эллен Эллис М. (2018). Капиллярное действие воды: определение и примеры. Учиться. Получено с: study.com
7. Сотрудники ScienceStruck. (16 июля 2017 г.). Примеры, объясняющие понятие и значение капиллярного действия. Получено с: sciencestruck.com