ПОВЕРХНЕВИЙ НАТЯГ: ПРИЧИНИ, ПРИКЛАДИ, ЗАСТОСУВАННЯ ТА ЕКСПЕРИМЕНТИ - ХІМІЯ - 2025

Поверхневий натяг є фізичною властивістю , що має всі рідини і характеризується стійкістю до їх поверхні виступають проти будь - якого збільшення його площі. Це те саме, що говорити про те, що зазначена поверхня буде шукати найменшу можливу площу. Це явище переплітає кілька хімічних понять, таких як згуртованість, адгезія та міжмолекулярні сили.

Поверхневий натяг відповідає за утворення поверхневих викривлень рідин у трубчастих ємностях (градуйовані циліндри, колони, пробірки тощо). Вони можуть бути увігнутими (вигнуті у формі долини) або опуклими (вигнуті у формі купола). Багато фізичних явищ можна пояснити, розглядаючи зміни, які зазнає поверхневий натяг рідини.

Сферичні форми, які краплі води приймають на листя, частково обумовлені їх поверхневим натягом. Джерело: фотографія зроблена користувачем flickr tanakawho

Одне з таких явищ - це схильність молекул рідини до агломерації у вигляді крапель, коли вони опираються на поверхні, які відштовхують їх. Наприклад, краплі води, які ми бачимо на листках, не можуть змочити її через воскоподібну гідрофобну поверхню.

Однак настає час, коли гравітація грає свою роль і крапля розливається, як стовпчик води. Подібне явище має місце у сферичних краплях ртуті при виливанні з термометра.

З іншого боку, поверхневий натяг води є найважливішим з усіх, оскільки він сприяє та організовує стан мікроскопічних тіл у водних середовищах, таких як клітини та їх ліпідні мембрани. Крім того, ця напруга відповідає за те, що вода випаровується повільно, а деякі тіла щільніше, ніж можуть плавати на її поверхні.

Причини поверхневого натягу

Пояснення явища поверхневого натягу - на молекулярному рівні. Молекули рідини взаємодіють між собою таким чином, що вони є згуртованими у своїх нерегулярних рухах. Молекула взаємодіє зі своїми сусідами поруч і з тими, що знаходяться вище або під нею.

Однак цього не відбувається з молекулами на поверхні рідини, які контактують з повітрям (або будь-яким іншим газом), або з твердим тілом. Молекули на поверхні не можуть зливатися з молекулами зовнішнього середовища.

Як результат, вони не відчувають жодних сил, які тягнуть їх вгору; тільки вниз, від сусідів у рідкому середовищі. Щоб протидіяти цьому дисбалансу, молекули на поверхні «стискаються», оскільки лише тоді вони можуть подолати силу, яка їх штовхає.

Потім створюється поверхня, де молекули розташовані в більш напруженому розташуванні. Якщо частинка хоче проникнути в рідину, вона спочатку повинна перетнути цей молекулярний бар'єр, пропорційний поверхневому натягу зазначеної рідини. Це ж стосується частинки, яка хоче вийти у зовнішнє середовище з глибини рідини.

Тому його поверхня поводиться так, ніби це еластична плівка, яка демонструє стійкість до деформації.

Одиниці

Поверхневий натяг, як правило, представлений символом γ, і виражається в одиницях N / m, тривалості сили довжини. Однак більшу частину часу його одиницею є dyn / cm. Один може бути перетворений в інший за допомогою наступного коефіцієнта перетворення:

1 дин / см = 0,001 Н / м

Поверхневий натяг води

Вода - найрідкісніша і найдивовижніша з усіх рідин. Його поверхневий натяг, як і кілька його властивостей, незвично високий: 72 дін / см при кімнатній температурі. Це значення може зростати до 75,64 дин / см, при температурі 0 ºC; або знизиться до 58,85 ºC, при температурі 100 ºC.

Ці спостереження мають сенс, якщо врахувати, що молекулярний бар'єр ще більше затягується при температурі, близькій до замерзання, або «втрачає» трохи більше навколо температури кипіння.

Вода має високий поверхневий натяг через свої водневі зв’язки. Якщо вони самі по собі помітні всередині рідини, вони ще більше на поверхні. Молекули води сильно заплутані, утворюючи диполь-дипольні взаємодії типу H ₂ O-HOH.

Молекули води притягуються одна до одної; пов'язані водневими зв’язками

Така ефективність їх взаємодій полягає в тому, що водний молекулярний бар'єр може навіть підтримувати деякі тіла, перш ніж вони занурюються. У розділах додатків та експериментів ми повернемося до цього пункту.

Інші приклади

Всі рідини мають поверхневий натяг, меншою чи більшою мірою, ніж вода, чи вони чисті речовини чи розчини. Наскільки сильні та напружені молекулярні бар'єри її поверхонь, буде безпосередньо залежати від їх міжмолекулярних взаємодій, а також від структурних та енергетичних факторів.

Конденсовані гази

Наприклад, молекули газів у рідкому стані взаємодіють між собою лише за допомогою лондонських дисперсивних сил. Це узгоджується з тим, що їх поверхневий натяг має низькі значення:

-Рідкий гелій, 0,37 дин / см при -273 ºC

-Рідкий азот, 8,85 дин / см при температурі -196 ° С

-Рідкий кисень, 13,2 дин / см при -182 ºC

Поверхневий натяг рідкого кисню вищий, ніж у гелію, оскільки його молекули мають більшу масу.

Аполярні рідини

Очікується, що неполярні та органічні рідини матимуть більш високий поверхневий натяг, ніж ці конденсовані гази. Серед деяких з них ми маємо такі:

-Діетиловий ефір, 17 дин / см при 20 ºC

- н-гексан, 18,40 дин / см при 20 ° С

- n -октан, 21,80 дин / см при 20 ° C

-Толуол, 27,73 дин / см при 25 ° С

Аналогічна тенденція спостерігається і у цих рідин: поверхневий натяг зростає зі збільшенням їх молекулярних мас. Однак, n -октан повинен мати найвищий поверхневий натяг, а не толуол. Тут грають молекулярні структури та геометрії.

Молекули толуолу, плоскі та кільцеподібні, мають більш ефективні взаємодії, ніж n-октанові. Тому поверхня толуолу "більш щільна", ніж поверхня n -октану.

Полярні рідини

Оскільки між молекулами полярної рідини існують сильніші дипольно-дипольні взаємодії, їх тенденція полягає у вищій поверхневій напрузі. Але це не завжди так. Серед кількох прикладів:

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

-Ацетон, 23,70 дин / см при 20 ºC

-Кров’я, 55,89 дин / см при 22 ºC

-Етанол, 22,27 дин / см при 20 ºC

-Гліцерин, 63 дин / см при 20 ºC

-Плавлений хлорид натрію, 163 дин / см при 650 ºC

- 6 М розчин NaCl, 82,55 дин / см при 20 ° С

Розплавлений хлорид натрію, як очікується, має величезний поверхневий натяг - це в'язка, іонна рідина.

З іншого боку, ртуть - одна з рідин з найвищим поверхневим натягом: 487 дин / см. У ній його поверхня складається з сильно згуртованих атомів ртуті, набагато більше, ніж молекул води.

Програми

Деякі комахи використовують поверхневий натяг води, щоб можна було ходити по ній. Джерело: Pixabay.

Поверхневий натяг сам по собі не має застосування. Однак це не означає, що він не бере участі в різних повсякденних явищах, які, якби їх не існувало, не відбувалися б.

Наприклад, комарі та інші комахи здатні ходити по воді. Це тому, що їхні гідрофобні ніжки відштовхують воду, тоді як їх низька маса дозволяє їм триматися на плаву на молекулярному бар’єрі, не падаючи на дно річки, озера, ставка тощо.

Поверхневий натяг також грає роль у змочуваності рідин. Чим вище її поверхневий натяг, тим менше його схильність просочуватися через пори або тріщини в матеріалі. Крім цього, вони не дуже корисні рідини для очищення поверхонь.

Миючі засоби

Саме тут діють миючі засоби, зменшуючи поверхневий натяг води та допомагаючи їй покривати більші поверхні; одночасно покращуючи його знежирювальну дію. Зменшуючи поверхневий натяг, він створює місце для молекул повітря, за допомогою яких він утворює бульбашки.

Емульсії

З іншого боку, більш низькі напруги пов'язані зі стабілізацією емульсій, що дуже важливо при формуванні різного асортименту продуктів.

Прості експерименти

Металевий затискач плаває через поверхневий натяг води. Джерело: Алвесгаспар

Нарешті, будуть наведені деякі експерименти, які можна здійснити в будь-якому побутовому просторі.

Кліп-експеримент

Металевий затискач розміщується на його поверхні в склянці з холодною водою. Як видно на зображенні вище, кліп залишиться на плаву завдяки поверхневому натягу води. Але якщо до келиха додати трохи лавового фарфору, поверхневий натяг різко знизиться, і скріпка з паперу раптово опуститься.

Паперовий кораблик

Якщо на поверхні у нас є паперовий човен або дерев’яний піддон, і якщо посудомийна машина або миючий засіб додати до головки тампона, то відбудеться цікаве явище: відбудеться відштовхування, яке буде поширювати їх до країв склянки. Паперовий човен і дерев’яний піддон відійдуть від замазаного миючим засобом тампона.

Ще один подібний і більш графічний експеримент складається з повторення тієї ж операції, але у відрі з водою, посипаним чорним перцем. Частинки чорного перцю відійдуть і поверхня зміниться від перець, покритого кришталево чистим, з перцем на краях.

Список літератури

1. Віттен, Девіс, Пек і Стенлі. (2008). Хімія (8-е видання). CENGAGE Навчання.
2. Вікіпедія. (2020). Поверхневе натягнення. Відновлено з: en.wikipedia.org
3. USGS. (sf). Поверхневе напруження та вода. Відновлено з: usgs.gov
4. Джонс, Ендрю Цимерман. (12 лютого 2020 р.). Поверхневе натяг - визначення та експерименти. Відновлено з: thinkco.com
5. Сюзанна Лорен. (15 листопада 2017 р.). Чому важливо поверхневий натяг? Biolin Scientific. Відновлено з: blog.biolinscientist.com
6. Наука про виховання новачка. (07 листопада 2019 р.). Що таке поверхневе напруження - класний науковий експеримент. Відновлено з: rookieparenting.com
7. Джессіка Мунк. (2020). Експерименти з поверхневим натягом. Вивчення. Відновлено з: study.com
8. Малюк повинен це бачити. (2020). Сім експериментів поверхневого натягу - дівчина з фізики. Відновлено з: thekidshouldseethis.com