KAPILLÁRISSÁG: JELLEMZŐK ÉS PÉLDA A VÍZBEN - KÉMIA - 2026

A kapillárisság a folyadékok tulajdonsága, amely lehetővé teszi számukra a cső alakú lyukak vagy porózus felületek mozgatását még a gravitáció ellenére is. Ehhez a folyadék molekuláival kapcsolatos két erő egyensúlyának és koordinációjának kell lennie: kohézió és adhézió; ezeknek a fizikai visszaverődésnek nevezik a felületi feszültséget.

A folyadéknak képesnek kell lennie arra, hogy megnedvesítse a cső belső falát vagy az anyag pórusait, amelyeken keresztülhalad. Ez akkor fordul elő, ha a tapadási erő (folyadék-kapilláris cső fal) nagyobb, mint az intermolekuláris kohéziós erő. Következésképpen a folyadék molekulái erősebb kölcsönhatásokat hoznak létre az anyag atomjaival (üveg, papír stb.), Mint egymással.

Forrás: MesserWoland a Wikipedia segítségével

A kapilláris képesség klasszikus példáját szemléltetik ennek a tulajdonságnak a összehasonlítása két nagyon különféle folyadék esetében: víz és higany.

A fenti képen látható, hogy a víz felemelkedik a cső falán, ami azt jelenti, hogy nagyobb tapadási erők vannak; míg a higany ellenkezője fordul elő, mivel a kohéziós erők, a fémes kötés megakadályozzák az üveg nedvesítését.

Ezért a víz konkáv meniszkuszt, a higany pedig domború (kupola alakú) meniszkot képez. Azt is meg kell jegyezni, hogy minél kisebb a cső vagy annak a szakasznak a sugara, amelyen a folyadék áthalad, annál nagyobb a megtett magasság vagy távolság (hasonlítsa össze a vízoszlopok magasságát mindkét cső esetében).

Kapilláris tulajdonságok

- A folyadék felülete

A folyadék felülete, vagyis a víz egy kapillárisban konkáv; vagyis a meniszkusz konkáv. Ez a helyzet azért fordul elő, mert a cső fala közelében a vízmolekulákra kifejtett erők arra irányulnak.

Minden meniszkuszban van egy érintkezési szög (θ), amely az a szög, amelyet a kapilláriscső fala egy érintkezőben a folyadék felületéhez érintő vonallal képez.

Adhéziós és kohéziós erők

Ha a folyadék tapadási erõje a kapilláris falhoz képest nagyobb, mint az intermolekuláris kohéziós erõ, akkor a szög θ <90º; a folyadék megnedvesíti a kapilláris falát, és a víz áthalad a kapillárison, figyelemmel kísérve a kapillárisnak nevezett jelenséget.

Amikor egy csepp vizet helyezünk a tiszta üveg felületére, a víz elterjed az üveg felett, így θ = 0 és cos θ = 1.

Ha az intermolekuláris kohéziós erő felett van a folyadék-kapilláris fal tapadási erõje, például a higany esetében, akkor a meniszkusz domború lesz, és a θ szög értéke> 90 °; A higany nem nedvesíti meg a kapilláris falát, és ezért lefut a belső falán.

Amikor egy csepp higanyt helyeznek a tiszta üveg felületére, a csepp megőrzi alakját és θ = 140º szöget.

-Magasság

A víz a kapilláriscsövön keresztül emelkedik fel, amíg el nem éri a magasságot (h), amelyben a vízoszlop tömege kompenzálja az intermolekuláris kohéziós erő függőleges összetevőjét.

Ahogy egyre több víz emelkedik, eljön egy pont, ahol a gravitáció megállítja emelkedését, még akkor is, ha a felületi feszültség az ön javára működik.

Amikor ez megtörténik, a molekulák nem folytathatják a „mászást” a belső falakon, és minden fizikai erő kiegyenlítődik. Egyrészt vannak olyan erõid, amelyek elősegítik a víz emelkedését, másrészt a saját súlyod nyomja le.

Jurin törvénye

Ezt matematikailag a következőképpen lehet írni:

2 π rϒcosθ = ρgπr ² óra

Ahol az egyenlet bal oldala a felületi feszültségtől függ, amelynek nagysága szintén függ a kohéziós vagy az intermolekuláris erőktől; A Cosθ jelzi az érintkezési szöget és r annak a furatnak a sugarat, amelyen keresztül a folyadék emelkedik.

Az egyenlet jobb oldalán van h magasság, g gravitációs erő és a folyadék sűrűsége; ami a víz lenne.

Akkor megoldjuk, hogy h-re van

h = (2ϒcosθ / ρgr)

Ezt a készítményt Jurin-törvénynek nevezzük, amely meghatározza a folyadékoszlop által a kapilláriscsőben elért magasságot, amikor a folyadékoszlop tömegét a kapilláris működés során a felemelkedés erőssége kiegyensúlyozza.

-Felületi feszültség

A víz egy dipólmolekula, az oxigénatom elektronegativitása és molekuláris geometriája miatt. Ez azt okozza, hogy a vízmolekula azon része, ahol az oxigén található, negatív töltésű lesz, míg a vízmolekula azon része, amely a 2 hidrogénatomot tartalmazza, pozitív töltésű.

A folyadékban levő molekulák ennek köszönhetően több hidrogénkötés révén kölcsönhatásba lépnek, és együtt tartják őket. A víz: levegő felületén (felületén) levő vízmolekuláknak azonban a folyadék szinuszának molekulái nettó vonzásnak vannak kitéve, és ezt nem kompenzálják a levegőmolekulák gyenge vonzása.

Ezért a határfelületen lévő vízmolekulákat vonzó erőnek vetik alá, amelyek hajlamosak eltávolítani a vízmolekulákat az interfészről; más szóval, az alján levő molekulákkal képződött hidrogénkötések húzzák azokat, amelyek a felszínen vannak. Így a felületi feszültség célja a víz és a levegő felületének csökkentése.

Kapcsolat h-vel

Ha megnézzük Jurin-egyenletét, azt találjuk, hogy h közvetlenül arányos ϒ-vel; ezért minél nagyobb a folyadék felületi feszültsége, annál nagyobb a magassága, amelyet egy anyag kapillárisa vagy pórusa megnövelhet.

Ilyen módon várható, hogy két eltérő felületi feszültségű folyadék, A és B, nagyobb felületfeszültségű folyadékkal magasabbra emelkedik.

Ezzel kapcsolatban arra a következtetésre lehet jutni, hogy a nagy felületi feszültség a legfontosabb jellemző, amely meghatározza a folyadék kapilláris tulajdonságát.

-A kapilláris vagy pórus radiussága, amelyen keresztül a folyadék emelkedik

A Jurin-törvény megfigyelése azt jelzi, hogy a folyadék kapillárisban vagy pórusban elért magassága fordítottan arányos a sugár értékével.

Ezért minél kisebb a sugara, annál nagyobb a magassága, amelyet a folyadékoszlop kapilláris hatással ér el. Ez közvetlenül a képen látható, ahol a vizet a higanyhoz hasonlítják.

Egy 0,05 mm-es sugárú üvegcsőben a vízoszlop kapillárisként 30 cm-es magasságot fog elérni. 1 μm sugarú kapilláris csövekben, 1,5 x 10 ³ hPa (amely egyenlő 1,5 atm) szívónyomással, amely megfelel a vízoszlop magasságának 14–15 számításának. m.

Ez nagyon hasonló ahhoz, ami történik azokkal a szalmákkal, amelyek többször bekapcsolnak. A folyadék elnyelése nyomáskülönbséget okoz, amely a folyadék felszállását a szájhoz vezet.

Az oszlop maximális magassági értéke, amelyet a kapillárisság elért, elméleti, mivel a kapillárisok sugara egy bizonyos határon nem csökkenthető.

Poiseuille-törvény

Ez igazolja, hogy egy valódi folyadék áramlását a következő kifejezés adja:

Q = (πr ⁴ / 8ηl) ΔP

Ahol Q a folyadék áramlása, η a viszkozitása, l a cső hossza és ΔP a nyomáskülönbség.

Ahogy a kapilláris sugara csökken, a folyadékoszlop kapilláris által elért magasságának határozatlan ideig növekednie kell. Poiseuille azonban rámutat arra, hogy a sugár csökkenésével a folyadék áramlása ezen a kapillárison keresztül is csökken.

Ezenkívül a viszkozitás, amely egy valódi folyadék áramlásával szembeni ellenállás mértéke, tovább csökkenti a folyadék áramlását.

-Contakt szög (θ)

Minél nagyobb a cosθ értéke, annál nagyobb a vízoszlop magassága kapillárisanként, amint azt Jurin törvénye jelzi.

Ha θ kicsi és megközelíti a nullát (0), akkor cosθ = 1, tehát a h érték maximális lesz. Ellenkezőleg, ha θ egyenlő 90º-val, akkor cosθ = 0 és h = 0 értéke.

Ha θ értéke meghaladja a 90º-ot, ami a konvex meniszkusz esetében fordul elő, a folyadék nem emelkedik fel kapillárisan, és hajlama leszállni (mint a higany esetén).

A víz kapilláris képessége

A víz felületi feszültségértéke 72,75 N / m, ami viszonylag magas a következő folyadékok felületi feszültségéhez viszonyítva:

-Aceton: 22,75 N / m

-Etil-alkohol: 22,75 N / m

-Hexan: 18,43 N / m

-Metanol: 22,61 N / m.

Ezért a víznek rendkívüli felületi feszültsége van, amely elősegíti a víz és tápanyagok növények általi felszívódásához szükséges kapilláris fejlődését.

Növényekben

Forrás: Pixabay

A kapillárisság fontos mechanizmus a gyümölcslé xilámon keresztüli emelkedésében, de önmagában nem elegendő az adag levéléhez a fák leveleihez.

A transzpiráció vagy az elpárologtatás fontos mechanizmusa a növényi xilámon keresztül az sap feljutásának. A levelek elveszítik a vizet a párolgás következtében, csökkentve a vízmolekulák mennyiségét, ami vonzza a kapilláriscsövekben lévő vízmolekulákat (xilem).

A vízmolekulák nem működnek egymástól függetlenül, hanem inkább a Van der Waals erői kölcsönhatásba lépnek, ami miatt a növények kapillárisán keresztül a levelek felé összekötve felszállnak.

Ezen mechanizmusok mellett meg kell jegyezni, hogy a növények ozmózissal felszívják a vizet a talajból, és hogy a gyökérben keletkező pozitív nyomás a víz emelkedésének kezdetét hajtja a növény kapillárisán keresztül.

Irodalom

1. García Franco A. (2010). Felületes jelenségek. Helyreállítva: sc.ehu.es
2. Felszíni jelenségek: felületi feszültség és kapillárisság.. Helyreállítva: ugr.es
3. Wikipedia. (2018). Hajszálcsövesség. Helyreállítva: es.wikipedia.org
4. Risvhan T. (második) Kapillárisság a növényekben. Helyreállítva: Academia.edu
5. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (2018. december 22.). Kapilláris művelet: meghatározás és példák. Helyreállítva: gondolat.com
6. Ellen Ellis M. (2018). A víz kapilláris működése: meghatározás és példák. Tanulmány. Helyreállítva: study.com
7. ScienceStruck személyzet. (2017. július 16.) Példák, amelyek elmagyarázzák a kapilláris fellépésének fogalmát és jelentését. Helyreállítva: sciencestruck.com