КАПІЛЯРНІСТЬ: ХАРАКТЕРИСТИКИ ТА ПРИКЛАД У ВОДІ - ХІМІЯ - 2025

Капілярний є властивістю рідин , що дозволяє їм переміщатися трубчасті отвори або пористі поверхні навіть проти сили тяжіння. Для цього повинні бути баланс і координація двох сил, пов'язаних з молекулами рідини: згуртованість і адгезія; ці два мають фізичне відображення, яке називається поверхневим натягом.

Рідина повинна бути здатна змочувати внутрішні стінки трубки або пори матеріалу, через які вона проходить. Це відбувається, коли сила адгезії (рідко-капілярна стінка труби) більша, ніж сила міжмолекулярної згуртованості. Отже, молекули рідини створюють сильніші взаємодії з атомами матеріалу (скла, паперу тощо), ніж один з одним.

Джерело: MesserWoland через Wikipedia

Класичний приклад капілярності проілюстровано порівнянням цієї властивості для двох дуже різних рідин: води та ртуті.

На зображенні вище видно, що вода справді піднімається вгору по стінках трубки, це означає, що вона має більші сили адгезії; У той час як з ртуттю відбувається навпаки, оскільки її сили зчеплення, металевого зв’язку, заважають їй змочувати скло.

З цієї причини вода утворює увігнутий меніск, а ртуть - опуклий (куполоподібний) меніск. Слід також зазначити, що чим менший радіус трубки або перерізу, через який проходить рідина, тим більша висота або пройдена відстань (порівняйте висоти водяних стовпців для обох труб).

Характеристики капілярності

-Поверхня рідини

Поверхня рідини, скажімо води, у капілярі є увігнутою; тобто меніск увігнутий. Така ситуація виникає тому, що результуючі сили, що діють на молекули води біля стінки трубки, спрямовані до неї.

У кожному меніску є контактний кут (θ), який є кутом, який утворює стінка капілярної трубки лінією, дотичною до поверхні рідини в точці контакту.

Сили адгезії та згуртованості

Якщо сила адгезії рідини до стінки капіляра переважає над силою міжмолекулярної згуртованості, то кут дорівнює θ <90º; рідина змочує стінку капіляра, і вода піднімається через капіляр, спостерігаючи явище, відоме як капілярність.

Коли крапля води поміщається на поверхню чистого склянки, вода поширюється по склянці, тому θ = 0 і cos θ = 1.

Якщо міжмолекулярна сила згущення переважає над силою адгезії рідко-капілярної стінки, наприклад у ртуті, меніск буде опуклим, а кут θ матиме значення> 90º; ртуть не змочує стінку капіляра і тому стікає по її внутрішній стінці.

Коли крапля ртуті поміщається на поверхню чистого скла, крапля зберігає свою форму і кут θ = 140º.

-Висота

Вода піднімається через капілярну трубку до досягнення висоти (год), при якій вага водного стовпа компенсує вертикальну складову міжмолекулярної сили згущення.

Коли більше води піднімається, настане точка, коли сила тяжіння припинить своє сходження, навіть якщо поверхневий натяг працює на вашу користь.

Коли це відбувається, молекули не можуть продовжувати «лізти» по внутрішніх стінках, і всі фізичні сили вирівнюються. З одного боку у вас є сили, які сприяють підняттю води, а з іншого - ваша власна вага, що відсуває її.

Закон Юріна

Це можна записати математично так:

2 π rϒcosθ = ρgπr ² год

Там, де ліва частина рівняння залежить від поверхневого натягу, величина якого також пов'язана з когезією чи міжмолекулярними силами; Cosθ являє контактний кут, а r радіус отвору, через який рідина піднімається.

А з правого боку рівняння маємо висоту h, силу тяжіння g та густину рідини; яка була б вода.

Тоді для h ми маємо рішення

h = (2ϒcosθ / ρgr)

Цей склад відомий як Закон Юріна, який визначає висоту, досягнуту стовпчиком рідини, в капілярній трубці, коли маса стовпчика рідини врівноважується із силою сходження капілярною дією.

-Поверхневе натягнення

Вода - дипольна молекула, обумовлена ​​електронегативністю атома кисню та його молекулярної геометрії. Це призводить до того, що частина молекули води, де знаходиться кисень, стає негативно зарядженою, тоді як частина молекули води, що містить 2 атоми водню, стає позитивно зарядженою.

Молекули рідини взаємодіють завдяки цьому через безліч водневих зв’язків, утримуючи їх разом. Однак молекули води, які знаходяться у воді: повітряний інтерфейс (поверхня), піддаються сітковому притяганню молекулами синуса рідини, не компенсованому слабким притяганням з молекулами повітря.

Тому молекули води на межі стику піддаються привабливій силі, яка має тенденцію до видалення молекул води з поверхні; Іншими словами, водневі зв’язки, утворені з молекулами на дні, тягнуть ті, що знаходяться на поверхні. Таким чином, поверхневий натяг прагне зменшити поверхню води: повітря.

Відносини з h

Якщо ми подивимось на закон рівняння Юріна, то виявимо, що h прямо пропорційний ϒ; отже, чим вище поверхневий натяг рідини, тим більша висота, яку можна підняти капіляром або порами матеріалу.

Таким чином очікується, що для двох рідин, A і B, з різним поверхневим натягом, одна з більшим поверхневим натягом підніметься на більшу висоту.

З цього приводу можна зробити висновок, що високий поверхневий натяг є найважливішою характеристикою, яка визначає капілярну властивість рідини.

-Радіус капіляра або пір, через який рідина піднімається

Спостереження закону Юріна вказує на те, що висота, яку рідина досягає в капілярі або порі, обернено пропорційна радіусу однакового.

Тому чим менший радіус, тим більша висота, яку досягає колона рідини капілярною дією. Це можна побачити безпосередньо на зображенні, де вода порівнюється з ртуттю.

У скляній трубці з радіусом 0,05 мм водяний стовп на капілярність досягне висоти 30 див. У капілярних трубах радіусом 1 мкм з тиском всмоктування 1,5 х 10 ³ гПа (що дорівнює 1,5 атм) відповідає розрахунку висоти водяного стовпа від 14 до 15 м.

Це дуже схоже на те, що відбувається з тими соломками, які вмикаються кілька разів. Поглинання рідини створює різницю тиску, яка змушує рідину підніматися до рота.

Максимальне значення висоти стовпчика, досягнутого капілярністю, є теоретичним, оскільки радіус капілярів не може бути зменшений за певну межу.

Закон Пуазеля

Це встановлює, що потік реальної рідини задається наступним виразом:

Q = (πr ⁴ / 8ηl) ΔP

Де Q - витрата рідини, η - її в'язкість, l - довжина трубки, а ΔP - різниця тиску.

У міру зменшення радіусу капіляра висота стовпа рідини, досягнута капілярністю, повинна збільшуватися нескінченно. Однак Пуазей вказує, що в міру зменшення радіусу потік рідини через цей капіляр також зменшується.

Також в'язкість, яка є мірою стійкості до потоку реальної рідини, ще більше зменшила б витрату рідини.

-Контакт кута (θ)

Чим більше значення cosθ, тим більша висота стовпа води на капілярність, як зазначено в законі Юріна.

Якщо θ малий і наближається до нуля (0), cosθ дорівнює 1, тому значення h буде максимальним. Навпаки, якщо θ дорівнює 90º, cosθ = 0 і значення h = 0.

Коли значення θ перевищує 90º, що стосується опуклого меніска, рідина не піднімається капілярністю і її тенденція спускається (як це відбувається при ртуті).

Капілярність води

Вода має значення поверхневого натягу 72,75 Н / м, відносно високе порівняно зі значеннями поверхневого натягу наступних рідин:

-Ацетон: 22,75 Н / м

-Етиловий спирт: 22,75 Н / м

-Гексан: 18,43 н / м

-Метанол: 22,61 Н / м.

Тому вода має винятковий поверхневий натяг, що сприяє розвитку явища капілярності, необхідного для поглинання рослинами води та поживних речовин.

У рослинах

Джерело: Піксабай

Капілярність є важливим механізмом підйому соку через ксилему рослин, але вона недостатня сама по собі для доставки соку до листя дерев.

Транспірація або випаровування є важливим механізмом підйому соку через ксилему рослин. Листя втрачають воду через випаровування, породжуючи зменшення кількості молекул води, що викликає притягнення молекул води, наявних у капілярних трубах (ксилема).

Молекули води не діють незалежно одна від одної, а скоріше взаємодіють силами Ван-дер-Ваальса, що змушує їх підніматися пов'язаними між собою через капіляри рослин у напрямку до листя.

Окрім цих механізмів, слід зазначити, що рослини поглинають воду з ґрунту осмосом і що позитивний тиск, що утворюється в корені, рухає початком підйому води через капіляри рослини.

Список літератури

1. Гарсія Франко А. (2010). Поверхневі явища. Відновлено з: sc.ehu.es
2. Поверхневі явища: поверхневий натяг і капілярність. . Відновлено з: ugr.es
3. Вікіпедія. (2018). Капілярність. Відновлено з: es.wikipedia.org
4. Risvhan T. (nd) Капілярність рослин. Відновлено з: academia.edu
5. Гельменстін, Анна Марі, к.т.н. (22 грудня 2018 р.). Капілярна дія: визначення та приклади. Відновлено з: thinkco.com
6. Еллен Елліс М. (2018). Капілярна дія води: визначення та приклади. Вивчення. Відновлено з: study.com
7. Персонал ScienceStruck. (16 липня 2017 р.). Приклади, що пояснюють поняття та значення капілярної дії. Відновлено з: sciencestruck.com