VIRSMAS SPRAIGUMS: CĒLOŅI, PIEMĒRI, PIELIETOJUMS UN EKSPERIMENTI - ĶĪMIJA - 2025

Virsmas spraigums ir fizikālā īpašība, kam ir visas šķidrumus un ir raksturīgs ar pretestību, lai to virsmas pret jebkādu pieaugumu savā apgabalā. Tas ir tas pats, kas teikt, ka minētā virsma meklēs pēc iespējas mazāku laukumu. Šī parādība savij vairākas ķīmiskās koncepcijas, piemēram, kohēziju, adhēziju un starpmolekulāros spēkus.

Virsmas spraigums ir atbildīgs par šķidrumu virsmas izliekumu veidošanos cauruļveida traukos (graduētie cilindri, kolonnas, mēģenes utt.). Tie var būt ieliekti (izliekti ielejas formā) vai izliekti (izliekti kupola formā). Daudzas fiziskas parādības var izskaidrot, ņemot vērā izmaiņas, kas notiek šķidruma virsmas spraigumā.

Sfēriskās formas, ko ūdens pilieni atstāj uz lapām, daļēji ir saistītas ar to virsmas spraigumu. Avots: foto, ko uzņēmis flickr lietotājs tanakawho

Viena no šīm parādībām ir šķidru molekulu tendence aglomerēties pilienu veidā, kad tās atrodas uz virsmām, kas tās atgrūž. Piemēram, ūdens pilieni, ko mēs redzam lapu virspusē, to nevar mitrināt vaskveida, hidrofobās virsmas dēļ.

Tomēr pienāk laiks, kad gravitācija spēlē savu lomu un piliens izlīst kā ūdens stabs. Līdzīga parādība rodas sfēriskos dzīvsudraba pilienos, izlienot no termometra.

No otras puses, ūdens virsmas spraigums ir vissvarīgākais no visiem, jo ​​tas veicina un organizē mikroskopisko ķermeņu stāvokli ūdens vidē, piemēram, šūnās un to lipīdu membrānās. Turklāt šī spriedze ir atbildīga par to, ka ūdens lēnām iztvaiko, un daži ķermeņi ir blīvāki nekā tas var peldēt uz tā virsmas.

Virsmas spraiguma cēloņi

Virsmas spraiguma parādības skaidrojums ir molekulārā līmenī. Šķidruma molekulas mijiedarbojas savā starpā tādā veidā, ka tās ir saliedētas savās neparastajās kustībās. Molekula mijiedarbojas ar kaimiņiem blakus tai un tiem, kas atrodas virs vai zem tā.

Tomēr tas pats nenotiek ar molekulām uz šķidruma virsmas, kas atrodas saskarē ar gaisu (vai jebkuru citu gāzi), vai ar cietu vielu. Uz virsmas esošās molekulas nevar kohēziju ar ārējās vides molekulām.

Tā rezultātā viņi nepiedzīvo spēkus, kas viņus velk uz augšu; tikai uz leju, no kaimiņiem šķidrā vidē. Lai neitralizētu šo nelīdzsvarotību, molekulas uz virsmas tiek "izspiestas", jo tikai tad tās var pārvarēt spēku, kas tās nospiež.

Pēc tam tiek izveidota virsma, kurā molekulas atrodas saspringtākā stāvoklī. Ja daļiņa vēlas iekļūt šķidrumā, tai vispirms jāšķērso šī molekulārā barjera proporcionāli minētā šķidruma virsmas spraigumam. Tas pats attiecas uz daļiņu, kas vēlas izplūst ārējā vidē no šķidruma dziļuma.

Tāpēc tā virsma uzvedas tā, it kā tā būtu elastīga plēve, kas parāda izturību pret deformāciju.

Vienības

Virsmas spraigumu parasti apzīmē ar simbolu γ, un to izsaka N / m, spēka un garuma vienībās. Tomēr lielāko daļu laika tā vienība ir dyn / cm. Vienu var konvertēt otrā ar šādu konversijas koeficientu:

1 dyn / cm = 0,001 N / m

Ūdens virsmas spraigums

Ūdens ir visretākais un pārsteidzošākais no visiem šķidrumiem. Tā virsmas spraigums, kā arī vairākas tā īpašības ir neparasti augstas: 72 dyn / cm istabas temperatūrā. Šī vērtība 0 ° C temperatūrā var palielināties līdz 75,64 dyn / cm; vai pazeminās līdz 58,85 ºC temperatūrā 100 ºC.

Šiem novērojumiem ir jēga, ja ņem vērā, ka molekulārā barjera vēl vairāk savelkas temperatūrā, kas ir tuvu sasalšanai, vai "nedaudz atslābina" ap viršanas punktu.

Ūdenim ir augsts virsmas spraigums, pateicoties tā ūdeņraža saitēm. Ja tie paši par sevi ir pamanāmi šķidrumā, tie vēl vairāk atrodas uz virsmas. Ūdens molekulas ir stipri sapinušās, veidojot H ₂ O-HOH tipa dipola-dipola mijiedarbību .

Ūdens molekulas tiek piesaistītas viena otrai; ir saistītas ar ūdeņraža saitēm

Tāda viņu mijiedarbības efektivitāte ir tāda, ka ūdens molekulārā barjera pat var atbalstīt dažus ķermeņus, pirms tie nogrimst. Pieteikumu un eksperimentu sadaļās mēs atgriezīsimies pie šī punkta.

Citi piemēri

Visu šķidrumu virsmas spraigums ir mazāks vai lielāks nekā ūdens, vai arī tie ir tīras vielas vai šķīdumi. Cik spēcīgi un saspringti ir tās virsmu molekulārie šķēršļi, tieši būs atkarīgs no to starpmolekulārajām mijiedarbībām, kā arī no strukturālajiem un enerģētiskajiem faktoriem.

Kondensētas gāzes

Piemēram, gāzu molekulas šķidrā stāvoklī mijiedarbojas tikai caur Londonas izkliedējošajiem spēkiem. Tas atbilst faktam, ka to virsmas spriedzei ir zemas vērtības:

-Šķidrs hēlijs, 0,37 dyn / cm pie -273 ºC

-Šķidrais slāpeklis, 8,85 dyn / cm pie -196 ºC

-Šķidrs skābeklis, 13,2 dyn / cm pie -182 ºC

Šķidrā skābekļa virsmas spraigums ir lielāks nekā hēlija, jo tā molekulām ir lielāka masa.

Polārie šķidrumi

Paredzams, ka nepolāriem un organiskiem šķidrumiem būs lielāka virsmas spriedze nekā šīm kondensētajām gāzēm. Starp dažiem no tiem mums ir šādi:

-Dietilēteris, 17 dyn / cm pie 20 ºC

- n-heksāns, 18,40 dyn / cm pie 20 ° C

- n-oktāns, 21,80 dyn / cm pie 20 ° C

-Toluols, 27,73 dyn / cm 25 ºC temperatūrā

Līdzīga tendence vērojama arī šiem šķidrumiem: palielinās virsmas spraigums, jo palielinās to molekulmasas. Tomēr tāpēc n-oktānam jābūt ar vislielāko virsmas spraigumu, nevis ar toluolu. Šeit spēlē molekulārās struktūras un ģeometrijas.

Toluola molekulām, plakanām un gredzenveida, ir efektīvāka mijiedarbība nekā n-oktānam. Tāpēc toluola virsma ir "stingrāka" nekā n-oktāna virsma.

Polārie šķidrumi

Tā kā starp polārā šķidruma molekulām ir spēcīgāka dipola-dipola mijiedarbība, to tendence ir parādīt lielāku virsmas spriedzi. Bet ne vienmēr tas tā ir. Starp dažiem mūsu piemēriem:

-Etiķskābe, 27,60 dyn / cm pie 20 ºC

-Acetons, 23,70 dyn / cm 20 ºC temperatūrā

-Asiņa, 55,89 dyn / cm pie 22 ºC

-Etanols, 22,27 dyn / cm pie 20 ° C

-Glicerīns, 63 dyn / cm 20 ºC temperatūrā

-Kausēts nātrija hlorīds, 163 dyn / cm pie 650 ºC

- 6 M NaCl šķīdums, 82,55 dyn / cm pie 20 ° C

Sagaidāms, ka izkusušam nātrija hlorīdam būs milzīga virsmas spraiga - tas ir viskozs, jonu šķidrums.

No otras puses, dzīvsudrabs ir viens no šķidrumiem ar visaugstāko virsmas spraigumu: 487 dyn / cm. Tajā tā virsmu veido spēcīgi saliedēti dzīvsudraba atomi, kas ir daudz vairāk par ūdens molekulām.

Lietojumprogrammas

Daži kukaiņi izmanto ūdens virsmas spraigumu, lai varētu pa to staigāt. Avots: Pixabay.

Virsmas spraigumam vien nav pielietojuma. Tomēr tas nenozīmē, ka tas nav iesaistīts dažādās ikdienas parādībās, kuras, ja tās nepastāvētu, nerastos.

Piemēram, odi un citi kukaiņi spēj staigāt pa ūdeni. Tas notiek tāpēc, ka viņu hidrofobās kājas atgrūž ūdeni, savukārt to mazā masa ļauj tām palikt virs molekulārā barjera, nenokrītot upes, ezera, dīķa upes apakšā utt.

Virsmas spraigumam ir nozīme arī šķidrumu samitrināšanā. Jo augstāks ir tā virsmas spraigums, jo mazāka ir tā tendence noplūst caur materiāla porām vai plaisām. Turklāt tie nav ļoti noderīgi šķidrumi virsmu tīrīšanai.

Mazgāšanas līdzekļi

Tieši šeit darbojas mazgāšanas līdzekļi, samazinot ūdens virsmas spraigumu un palīdzot tam segt lielākas virsmas; vienlaikus uzlabojot tā attaukošanas darbību. Samazinot tā virsmas spraigumu, tas dod vietu gaisa molekulām, ar kurām tās veido burbuļus.

Emulsijas

No otras puses, zemāka paaugstināta spriedze ir saistīta ar emulsiju stabilizāciju, kas ir ļoti svarīgi, izstrādājot atšķirīgu produktu klāstu.

Vienkārši eksperimenti

Metāla saspraude, kas peld ūdens virsmas spraiguma dēļ. Avots: Alvesgaspar

Visbeidzot, tiks minēti daži eksperimenti, kurus var veikt jebkurā mājas telpā.

Klipa eksperiments

Uz tā virsmas glāzē ar aukstu ūdeni novieto metāla skavu. Kā redzams iepriekšējā attēlā, klips paliks virs ūdens, pateicoties ūdens virsmas spraigumam. Bet, ja stiklam tiek pievienots nedaudz lavas porcelāna, virsmas spraigums dramatiski samazināsies un papīra saspraude pēkšņi nogrims.

Papīra laiva

Ja uz virsmas mums ir papīra laiva vai koka paliktnis un ja tampona galvai tiek pievienota trauku mazgājamā mašīna vai mazgāšanas līdzeklis, tad notiks interesanta parādība: notiks atgrūšanās, kas tos izplatīs pret stikla malām. Papīra laiva un koka paliktnis attālināsies no tampona, kas nosmērēts ar mazgāšanas līdzekli.

Cits līdzīgs un grafiskāks eksperiments sastāv no vienas un tās pašas darbības atkārtošanas, bet ar spaini ūdens, kas pārkaisīts ar melnajiem pipariem. Melno piparu daļiņas attālināsies, un virsma mainīsies no pārklātajiem pipariem uz kristāldzidru, ar pipariem malās.

Atsauces

1. Vaitens, Deiviss, Peks un Stenlijs. (2008). Ķīmija (8. izd.). CENGAGE mācīšanās.
2. Wikipedia. (2020). Virsmas spraigums. Atgūts no: en.wikipedia.org
3. USGS. (sf). Virsmas spriegojums un ūdens. Atgūts no: usgs.gov
4. Džounss, Endrjū Zimmermans. (2020. gada 12. februāris). Virsmas spriegojums - definīcija un eksperimenti. Atgūts no: domaco.com
5. Susanna Laurén. (2017. gada 15. novembris). Kāpēc ir svarīga virsmas spraigums? Biolīna zinātniskā. Atgūts no: blog.biolinsc Scientific.com
6. Rookie vecāku zinātne. (2019. gada 7. novembris). Kas ir virsmas spraigums - foršs zinātnes eksperiments. Atgūts no: rookieparenting.com
7. Džesika Munka. (2020). Virsmas spriedzes eksperimenti. Pētījums. Atgūts no: study.com
8. Bērnam tas jāredz. (2020). Septiņi eksperimenti ar virsmas spraigumu - Fizikas meitene. Atgūts no: thekidshouldseethis.com