ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ: ПРИЧИНЫ, ПРИМЕРЫ, ПРИЛОЖЕНИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТЫ - ХИМИЯ - 2025

Поверхностное натяжение является физическим свойством , имеющий все жидкости и характеризуется устойчивостью к их поверхности выступают против какого - либо увеличения его площади. Это то же самое, что сказать, что указанная поверхность будет искать как можно меньшую площадь. В этом явлении переплетаются несколько химических понятий, таких как когезия, адгезия и межмолекулярные силы.

Поверхностное натяжение отвечает за образование кривизны поверхности жидкостей в трубчатых сосудах (градуированных цилиндрах, колонках, пробирках и т. Д.). Они могут быть вогнутыми (изогнутыми в форме долины) или выпуклыми (изогнутыми в форме купола). Многие физические явления можно объяснить, рассматривая изменения, которым подвергается поверхностное натяжение жидкости.

Сферические формы, которые капли воды принимают на листьях, частично связаны с их поверхностным натяжением. Источник: фото пользователя flickr tanakawho

Одним из этих явлений является тенденция молекул жидкости к агломерации в форме капель, когда они опираются на поверхности, которые их отталкивают. Например, капли воды, которые мы видим на вершине листьев, не могут намочить их из-за восковой гидрофобной поверхности.

Однако наступает момент, когда гравитация играет свою роль, и капля выливается наружу, как столб воды. Подобное явление происходит в сферических каплях ртути, проливаемых из градусника.

С другой стороны, поверхностное натяжение воды является наиболее важным из всех, поскольку оно способствует и организует состояние микроскопических тел в водных средах, таких как клетки и их липидные мембраны. Кроме того, это напряжение отвечает за то, что вода испаряется медленно, и некоторые тела более плотные, чем они могут плавать на ее поверхности.

Причины поверхностного натяжения

Объяснение явления поверхностного натяжения находится на молекулярном уровне. Молекулы жидкости взаимодействуют друг с другом таким образом, что они связаны в своих беспорядочных движениях. Молекула взаимодействует со своими соседями рядом с ней, а также с соседями над или под ней.

Однако этого не происходит с молекулами на поверхности жидкости, которые контактируют с воздухом (или любым другим газом), или с твердым телом. Молекулы на поверхности не могут сцепиться с молекулами внешней среды.

В результате они не испытывают никаких сил, которые тянут их вверх; только вниз, от своих соседей в жидкой среде. Чтобы противодействовать этому дисбалансу, молекулы на поверхности «сжимаются», потому что только так они могут преодолеть силу, толкающую их вниз.

Затем создается поверхность, на которой молекулы расположены более плотно. Если частица хочет проникнуть в жидкость, она должна сначала пересечь этот молекулярный барьер, пропорциональный поверхностному натяжению указанной жидкости. То же самое относится и к частице, которая хочет вырваться во внешнюю среду из глубин жидкости.

Следовательно, его поверхность ведет себя так, как будто это эластичная пленка, стойкая к деформации.

Единицы

Поверхностное натяжение обычно обозначается символом γ и выражается в единицах Н / м - сила, умноженная на длину. Однако в большинстве случаев его единицей является дин / см. Одно можно преобразовать в другое с помощью следующего коэффициента преобразования:

1 дин / см = 0,001 Н / м

Поверхностное натяжение воды

Вода - самая редкая и удивительная из всех жидкостей. Его поверхностное натяжение, а также некоторые его свойства необычайно высоки: 72 дин / см при комнатной температуре. Это значение может увеличиваться до 75,64 дин / см при температуре 0 ºC; или понизить до 58,85 ºC при температуре 100 ºC.

Эти наблюдения имеют смысл, если учесть, что молекулярный барьер сужается еще больше при температурах, близких к температуре замерзания, или «ослабляется» немного больше около точки кипения.

Вода имеет высокое поверхностное натяжение из-за водородных связей. Если они сами по себе заметны в жидкости, они тем более на поверхности. Молекулы воды сильно запутаны, образуя диполь-дипольные взаимодействия типа H ₂ O-HOH.

Молекулы воды притягиваются друг к другу; связаны водородными связями

Эффективность их взаимодействия такова, что водный молекулярный барьер может даже поддерживать некоторые тела до того, как они утонут. В разделах приложений и экспериментов мы еще вернемся к этому моменту.

Другие примеры

Все жидкости обладают поверхностным натяжением в большей или меньшей степени, чем вода, или являются ли они чистыми веществами или растворами. Насколько прочны и напряжены молекулярные барьеры на его поверхности, будет напрямую зависеть от их межмолекулярных взаимодействий, а также структурных и энергетических факторов.

Конденсированные газы

Например, молекулы газов в жидком состоянии взаимодействуют друг с другом только посредством лондонских дисперсионных сил. Это согласуется с тем, что их поверхностное натяжение имеет низкие значения:

-Жидкий гелий, 0,37 дин / см при -273 ºC

-Жидкий азот, 8,85 дин / см при -196 ºC

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

Поверхностное натяжение жидкого кислорода выше, чем у гелия, потому что его молекулы имеют большую массу.

Аполярные жидкости

Ожидается, что неполярные и органические жидкости будут иметь более высокое поверхностное натяжение, чем эти конденсированные газы. Среди некоторых из них можно выделить следующие:

-Диэтилэфир, 17 дин / см при 20 ºC

- н-гексан, 18,40 дин / см при 20 ° C

- н-октан, 21,80 дин / см при 20 ° C

-Толуол, 27,73 дин / см при 25 ºC

Аналогичная тенденция наблюдается и для этих жидкостей: поверхностное натяжение увеличивается с увеличением их молекулярных масс. Однако, следовательно, наибольшее поверхностное натяжение должен иметь н-октан, а не толуол. Здесь в игру вступают молекулярные структуры и геометрия.

Молекулы толуола, плоские и кольцеобразные, взаимодействуют более эффективно, чем н-октан. Следовательно, поверхность толуола «плотнее», чем поверхность н-октана.

Полярные жидкости

Поскольку существуют более сильные диполь-дипольные взаимодействия между молекулами полярной жидкости, они имеют тенденцию проявлять более высокие поверхностные натяжения. Но так бывает не всегда. Среди некоторых примеров у нас есть:

-Уксусная кислота, 27,60 дин / см при 20 ºC

-Ацетон, 23,70 дин / см при 20 ºC

-Кровь, 55,89 дин / см при 22 ºC

-Этанол, 22,27 дин / см при 20 ºC

-Глицерин, 63 дин / см при 20 ºC

-Плавленый хлорид натрия, 163 дин / см при 650 ºC

- 6 M раствор NaCl, 82,55 дин / см при 20 ºC

Ожидается, что расплавленный хлорид натрия будет иметь огромное поверхностное натяжение - это вязкая ионная жидкость.

С другой стороны, ртуть - одна из жидкостей с самым высоким поверхностным натяжением: 487 дин / см. В нем его поверхность состоит из сильно связанных атомов ртути, намного больше, чем могут быть молекулы воды.

Приложения

Некоторые насекомые используют поверхностное натяжение воды, чтобы ходить по ней. Источник: Pixabay.

Само по себе поверхностное натяжение не имеет применения. Однако это не означает, что он не участвует в различных повседневных явлениях, которые, если бы их не было, не имели бы места.

Например, комары и другие насекомые могут ходить по воде. Это связано с тем, что их гидрофобные ноги отталкивают воду, а их низкая масса позволяет им оставаться на плаву на молекулярном барьере, не падая на дно реки, озера, пруда и т. Д.

Поверхностное натяжение также играет роль в смачиваемости жидкостей. Чем выше его поверхностное натяжение, тем меньше вероятность протекания через поры или трещины в материале. К тому же это не очень полезные жидкости для мытья поверхностей.

Моющие средства

Именно здесь действуют моющие средства, снижающие поверхностное натяжение воды и помогающие ей покрывать большие поверхности; при улучшении обезжиривающего действия. Уменьшая свое поверхностное натяжение, он освобождает место для молекул воздуха, с которыми образует пузырьки.

Эмульсии

С другой стороны, более низкое верхнее натяжение связано со стабилизацией эмульсий, что очень важно при составлении различных продуктов.

Простые эксперименты

Металлический зажим плавает из-за поверхностного натяжения воды. Источник: Alvesgaspar

Наконец, будут приведены некоторые эксперименты, которые можно провести в любом домашнем пространстве.

Клип-эксперимент

На его поверхность кладут металлический зажим в стакан с холодной водой. Как видно на изображении выше, зажим останется на плаву благодаря поверхностному натяжению воды. Но если в стекло добавить немного лавового фарфора, поверхностное натяжение резко упадет, и скрепка внезапно утонет.

Бумажный кораблик

Если на поверхности есть бумажный кораблик или деревянный поддон, и если посудомоечная машина или моющее средство добавлено к головке тампона, то произойдет интересное явление: возникнет отталкивание, которое распространит их к краям стекла. Бумажный кораблик и деревянный поддон отойдут от тампона, смазанного моющим средством.

Другой похожий и более наглядный эксперимент состоит в том, чтобы повторить ту же операцию, но в ведре с водой, посыпанным черным перцем. Частицы черного перца улетят, и их поверхность изменится от покрытой перцем до кристально чистой, с перцем по краям.

Ссылки

1. Уиттен, Дэвис, Пек и Стэнли. (2008). Химия (8-е изд.). CENGAGE Обучение.
2. Wikipedia. (2020). Поверхностное натяжение. Получено с: en.wikipedia.org
3. USGS. (SF). Поверхностное натяжение и вода. Получено с: usgs.gov
4. Джонс, Эндрю Циммерман. (12 февраля 2020 г.). Поверхностное натяжение - определение и эксперименты. Получено с: thinkco.com
5. Сюзанна Лорен. (15 ноября 2017 г.). Почему важно поверхностное натяжение? Biolin Scientific. Получено с: blog.biolinscientific.com
6. Наука о воспитании новичков. (07 ноября 2019 г.). Что такое поверхностное натяжение - крутой научный эксперимент. Получено с: rookieparenting.com
7. Джессика Мунк. (2020). Эксперименты с поверхностным натяжением. Учиться. Получено с: study.com
8. Малыш должен это увидеть. (2020). Семь экспериментов с поверхностным натяжением - Physics Girl. Получено с: thekidshouldseethis.com