KAPILĀRITĀTE: RAKSTUROJUMS UN PIEMĒRS ŪDENĪ - ĶĪMIJA - 2025

Kapilaritāte ir īpašums šķidrumu, kas ļauj tiem virzīties cauruļveida caurumi vai porainu virsmu pat pret smaguma. Lai to panāktu, ir jābūt līdzsvarotam un koordinētam diviem spēkiem, kas saistīti ar šķidruma molekulām: kohēzijai un adhēzijai; šiem diviem ir fiziska refleksija, ko sauc par virsmas spraigumu.

Šķidrumam jāspēj samitrināt caurules iekšējās sienas vai materiāla poras, caur kurām tas pārvietojas. Tas notiek, ja saķeres spēks (šķidruma-kapilārā caurules siena) ir lielāks par starpmolekulāro kohēzijas spēku. Līdz ar to šķidruma molekulas rada spēcīgāku mijiedarbību ar materiāla atomiem (stiklu, papīru utt.) Nekā ar otru.

Avots: MesserWoland caur Wikipedia

Klasiskais kapilāra piemērs ir parādīts, salīdzinot šo īpašību diviem ļoti atšķirīgiem šķidrumiem: ūdenim un dzīvsudrabam.

Augšējā attēlā redzams, ka ūdens patiešām paceļas pa caurules sienām, kas nozīmē, ka tam ir lielāki saķeres spēki; savukārt ar dzīvsudrabu notiek tieši pretēji, jo tā kohēzijas spēki, kas ir metāla saikne, neļauj tam mitrināt stiklu.

Šī iemesla dēļ ūdens veido ieliektu menisku, bet dzīvsudrabs - izliektu (kupola formas) menisku. Jāatzīmē arī, ka jo mazāks ir caurules vai sekcijas rādiuss, caur kuru šķidrums pārvietojas, jo lielāks ir nobrauktais augstums vai attālums (salīdziniet ūdens stabu augstumu abām caurulēm).

Kapilāras īpašības

-Šķidruma virsma

Šķidruma, teiksim, ūdens, kapilārā virsma ir ieliekta; tas ir, menisks ir ieliekts. Šī situācija rodas tāpēc, ka spēki, kas rodas uz ūdens molekulām netālu no caurules sienas, ir vērsti uz to.

Katrā meniskā ir saskares leņķis (θ) - tas ir leņķis, ko veido kapilārā caurules siena ar līniju, kas saskaras ar šķidruma virsmu saskares vietā.

Adhēzijas un kohēzijas spēki

Ja šķidruma saķeres spēks ar kapilāru sienu prevalē pār starpmolekulāro kohēzijas spēku, tad leņķis ir θ <90º; šķidrums samitrina kapilārā sienu un ūdens paceļas caur kapilāru, novērojot parādību, ko sauc par kapilāru.

Kad uz tīras stikla virsmas tiek uzlikts ūdens piliens, ūdens izplatās pa stiklu, tātad θ = 0 un cos θ = 1.

Ja starpmolekulārais kohēzijas spēks prevalē pār šķidruma-kapilāru sienas saķeres spēku, piemēram, ar dzīvsudrabu, menisks būs izliekts un leņķim θ būs vērtība> 90 °; dzīvsudrabs nesaslapina kapilāru sienu un tāpēc iztek pa tā iekšējo sienu.

Ja uz tīra stikla virsmas tiek uzlikts dzīvsudraba piliens, tas saglabā savu formu un leņķi θ = 140º.

-Augstums

Ūdens paceļas caur kapilārā cauruli, līdz tiek sasniegts augstums (h), kurā ūdens staba svars kompensē starpmolekulāro kohēzijas spēka vertikālo komponentu.

Kad palielināsies ūdens daudzums, pienāks punkts, kurā gravitācija pārtrauks tā pacelšanos pat tad, ja virsmas spraigums darbosies jūsu labā.

Kad tas notiek, molekulas nevar turpināt “kāpt” iekšējās sienās, un visi fiziskie spēki izlīdzinās. No vienas puses, jums ir spēki, kas veicina ūdens celšanos, un, no otras puses, jūsu svars to spiež uz leju.

Jurina likums

To matemātiski var uzrakstīt šādi:

2 π rϒcosθ = ρgπr ² st

Ja vienādojuma kreisā puse ir atkarīga no virsmas spraiguma, kura lielums ir saistīts arī ar kohēzijas vai starpmolekulārajiem spēkiem; Cosθ apzīmē saskares leņķi un r urbuma rādiusu, caur kuru šķidrums paceļas.

Un vienādojuma labajā pusē mums ir augstums h, gravitācijas spēks g un šķidruma blīvums; kas būtu ūdens.

Atrisinot tad h mums ir

h = (2ϒcosθ / ρgr)

Šis sastāvs ir pazīstams kā Jurina likums, kas nosaka šķidruma kolonnas sasniegto augstumu kapilārā caurulē, kad šķidruma kolonnas svars tiek līdzsvarots ar pacelšanās spēku, veicot kapilāru darbību.

-Virsmas spraigums

Ūdens ir dipola molekula skābekļa atoma elektronegativitātes un tā molekulārās ģeometrijas dēļ. Tas izraisa to, ka ūdens molekulas daļa, kurā atrodas skābeklis, kļūst negatīvi lādēta, bet ūdens molekulas daļa, kurā ir 2 ūdeņraža atomi, kļūst pozitīvi lādēta.

Pateicoties daudzām ūdeņraža saitēm, šķidrumā esošās molekulas mijiedarbojas, turot tās kopā. Tomēr ūdens molekulas, kas atrodas ūdenī: gaisa saskarnē (virsmā), tiek pakļautas tīrai pievilcībai ar šķidruma sinusa molekulām, ko nekompensē vāja pievilcība ar gaisa molekulām.

Tāpēc ūdens molekulas saskarnē tiek pakļautas pievilcīgam spēkam, kam ir tendence noņemt ūdens molekulas no saskarnes; citiem vārdiem sakot, ūdeņraža saites, kas izveidotas ar molekulām apakšā, velk tās, kas atrodas uz virsmas. Tādējādi virsmas spraigums mēģina samazināt ūdens un gaisa virsmas saskarni.

Attiecības ar h

Ja aplūkosim Jurina likuma vienādojumu, mēs redzēsim, ka h ir tieši proporcionāls ϒ; tāpēc, jo augstāks ir šķidruma virsmas spraigums, jo lielāku augstumu var palielināt materiāla kapilārs vai poras.

Paredzams, ka šādā veidā diviem šķidrumiem, A un B, ar atšķirīgu virsmas spraigumu, tas, kuram ir lielāka virsmas spraiguma pakāpe, pacelsies uz lielāku augstumu.

Šajā sakarā var secināt, ka augsts virsmas spraigums ir vissvarīgākā īpašība, kas nosaka šķidruma kapilāro īpašību.

- Kapilāra vai poru radiācija, caur kuru šķidrums paceļas

Jurina likuma ievērošana norāda, ka augstums, ko šķidrums sasniedz kapilārā vai porās, ir apgriezti proporcionāls tā rādiusam.

Tāpēc, jo mazāks ir rādiuss, jo lielāku augstumu šķidruma kolonna sasniedz ar kapilāru darbību. To var redzēt tieši attēlā, kur ūdeni salīdzina ar dzīvsudrabu.

Stikla mēģenē ar rādiusu 0,05 mm rādiusā ūdens stabs uz kapilāru sasniegs 30 cm augstumu. Kapilāru caurulēs ar rādiusu 1 µm ar iesūkšanas spiedienu 1,5 x 10 ³ hPa (kas ir vienāds ar 1,5 atm) atbilst ūdens staba augstuma aprēķinam no 14 līdz 15 m.

Tas ir ļoti līdzīgs tam, kas notiek ar tiem salmiņiem, kuri vairākas reizes ieslēdzas paši. Iepērkot šķidrumu, rodas spiediena starpība, kas izraisa šķidruma paaugstināšanos līdz mutei.

Kolonnas maksimālais augstuma līmenis, ko sasniedz kapilāritāte, ir teorētisks, jo kapilāru rādiusu nevar samazināt par noteiktu robežu.

Poiseuille's likums

Tas nosaka, ka īsta šķidruma plūsmu nosaka ar šādu izteiksmi:

Q = (πr ⁴ / 8ηl) ΔP

Kur Q ir šķidruma plūsma, η ir tā viskozitāte, l ir caurules garums un ΔP ir spiediena starpība.

Samazinoties kapilāra rādiusam, šķidruma kolonnas augstumam, ko sasniedz kapilārs, vajadzētu palielināties uz nenoteiktu laiku. Tomēr Poiseuille norāda, ka, samazinoties rādiusam, samazinās arī šķidruma plūsma caur šo kapilāru.

Arī viskozitāte, kas ir pretestības rādītājs reāla šķidruma plūsmai, vēl vairāk samazinātu šķidruma plūsmu.

-Kontakta leņķis (θ)

Jo lielāka ir cosθ vērtība, jo lielāks ir ūdens staba augstums uz kapilāru, kā norādīts Jurina likumā.

Ja θ ir mazs un tuvojas nullei (0), cosθ ir = 1, tātad vērtība h būs maksimālā. Tieši pretēji, ja θ ir vienāds ar 90 °, cosθ = 0 un h = 0 vērtība.

Ja θ vērtība ir lielāka par 90 °, kā tas ir izliektā meniska gadījumā, šķidrums neaug cauri kapilārai, un tam ir tendence nolaisties (kā tas notiek ar dzīvsudrabu).

Ūdens kapilāritāte

Ūdens virsmas spraiguma vērtība ir 72,75 N / m, kas ir salīdzinoši augsta salīdzinājumā ar šādu šķidrumu virsmas spraiguma vērtībām:

-Acetons: 22,75 N / m

-Etilspirts: 22,75 N / m

-Hxan: 18,43 N / m

-Metanols: 22,61 N / m.

Tāpēc ūdenim ir ārkārtas virsmas spraigums, kas veicina tādas kapilārās parādības attīstību, kas nepieciešama ūdens un barības vielu absorbcijai augos.

Augos

Avots: Pixabay

Kapilāritāte ir svarīgs sulas pacelšanās mehānisms caur augu ksilēmu, taču ar to vien nepietiek, lai sula nonāktu koku lapās.

Transpirācija vai iztvaikošana ir svarīgs mehānisms sulas pacelšanai caur augu ksilēmu. Lapas iztvaikojot zaudē ūdeni, izraisot ūdens molekulu daudzuma samazināšanos, kas izraisa kapilāru caurulēs (ksilēmā) esošo ūdens molekulu piesaisti.

Ūdens molekulas nedarbojas neatkarīgi viens no otra, bet gan mijiedarbojas ar Van der Waals spēkiem, kas liek tām pacelties cauri augu kapilāriem lapu virzienā.

Papildus šiem mehānismiem jāņem vērā, ka augi ar osmozes palīdzību absorbē ūdeni no augsnes un saknē radītais pozitīvais spiediens veicina ūdens celšanos caur auga kapilāriem.

Atsauces

1. Garsija Franko A. (2010). Virspusējas parādības. Atgūts no: sc.ehu.es
2. Virsmas parādības: virsmas spraigums un kapilārums. . Atgūts no: ugr.es
3. Wikipedia. (2018). Kapilāritāte. Atgūts no: es.wikipedia.org
4. Risvhan T. (nd) Kapilāritāte augos. Atgūts no: academia.edu
5. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (2018. gada 22. decembris). Kapilārā darbība: definīcija un piemēri. Atgūts no: domaco.com
6. Ellen Ellis M. (2018). Ūdens kapilārā darbība: definīcija un piemēri. Pētījums. Atgūts no: study.com
7. ScienceStruck personāls. (2017. gada 16. jūlijs). Piemēri, kas izskaidro kapilārās darbības jēdzienu un nozīmi. Atgūts no: sciencestruck.com