FELÜLETI FESZÜLTSÉG: OKOK, PÉLDÁK, ALKALMAZÁSOK ÉS KÍSÉRLETEK - KÉMIA - 2026

A felületi feszültség fizikai tulajdonság, amely minden folyadékot tartalmaz, és a felületükkel szembeni ellenállás jellemzi a terület bármilyen növekedését. Ez ugyanaz, mint azt állítani, hogy az említett felület a lehető legkisebb területet fogja elérni. Ez a jelenség számos kémiai fogalmat összefonódik, például a kohéziót, az adhéziót és az intermolekuláris erőket.

A felületi feszültség felelős a folyadékok felületi görbületének kialakulásáért cső alakú edényekben (mérőhengerek, oszlopok, tesztcsövek stb.). Ezek lehetnek konkáv (völgy alakjában ívelt) vagy domború (kupola alakban ívelt). Számos fizikai jelenség azzal magyarázható, hogy figyelembe vesszük azokat a változásokat, amelyek egy folyadék felületi feszültségén átesnek.

A gömbös alakzatok, amelyeket a vízcseppek a leveleken vesznek fel, részben felületi feszültségüknek tudhatók be. Forrás: a flickr felhasználó tanakawho fényképe

Az egyik jelenség a folyékony molekulák cseppek formájában történő agglomerációjára való hajlam, amikor azok a felületükön nyugszanak, amely azokat visszatartja. Például a vízcseppek, amelyeket a levelek tetején látunk, viaszos, hidrofób felületük miatt nem tudják megnedvesíteni.

Ugyanakkor eljön az idő, amikor a gravitáció játszik szerepet, és a csepp úgy ömlik ki, mint egy vízoszlop. Hasonló jelenség fordul elő a gömb alakú higanycseppeknél, amikor egy hőmérőből kiömlnek.

Másrészt a víz felületi feszültsége a legfontosabb, mivel hozzájárul és megszervezi a vizes közegek mikroszkopikus testjeinek állapotát, például a sejteket és azok lipidmembránjait. Ezenkívül ez a feszültség felelős azért, hogy a víz lassan elpárolog, és egyes testek sűrűbbek, mint amennyire képes felszínen úszni.

A felületi feszültség okai

A felületi feszültség jelenségének magyarázata molekuláris szinten van. A folyadék molekulái kölcsönhatásba lépnek egymással, oly módon, hogy eltérő mozgásaikban koherensek legyenek. Egy molekula kölcsönhatásba lép mellette lévő szomszédaival, valamint azokkal, amelyek fölött vagy alatt vannak.

Ez azonban nem történik meg a folyadék felületén levő molekulákkal, amelyek érintkezésbe kerülnek levegővel (vagy bármilyen más gázzal), vagy szilárd anyaggal. A felszínen levő molekulák nem képesek összehangolni a külső környezet molekuláival.

Ennek eredményeként nem tapasztalnak olyan erőt, amely felfelé húzza őket; csak lefelé, a szomszédoktól a folyékony közegben. Ennek az egyensúlyhiánynak a kiküszöbölésére a felszínen levő molekulákat "megszorítják", mivel csak akkor képesek legyőzni az erőt, amely azokat lenyomja.

Ezután felület jön létre, ahol a molekulák feszültebb elrendezésben vannak. Ha egy részecske át akar lépni a folyadékba, akkor először ezt a molekuláris gátat kell átlépnie az említett folyadék felületi feszültségével arányosan. Ugyanez vonatkozik a részecskére, amely a folyadék mélységéből ki akarja menekülni a külső környezetbe.

Ezért a felülete úgy viselkedik, mintha egy rugalmas film lenne, amely ellenáll a deformációnak.

egységek

A felületi feszültséget általában a γ szimbólum jelöli, és N / m egységben fejezik ki, az erő és az idő hosszával. Azonban az egység általában dyn / cm. Az egyik a következő konverziós tényezővel konvertálható a másikra:

1 dyn / cm = 0,001 N / m

A víz felületi feszültsége

A víz a legritkább és legcsodálatosabb az összes folyadék közül. Felületi feszültsége, valamint számos tulajdonsága szokatlanul magas: szobahőmérsékleten 72 dyn / cm. Ez az érték 75 ºC-ra emelkedhet 0 ° C hőmérsékleten; vagy csökkenni 58,85 ° C-ra, 100 ° C hőmérsékleten.

Ezekre a megfigyelésekre van értelme, ha figyelembe vesszük, hogy a molekuláris gát még fagyos hőmérsékleten meghúzódik, vagy a forráspont körül kissé "lazul".

A víz hidrogénkötései miatt nagy a felületi feszültsége. Ha ezek önmagukban észlelhetők a folyadékban, akkor még inkább a felszínen vannak. A vízmolekulák erősen összefonódnak, és H ₂ O-HOH típusú dipól-dipól kölcsönhatásokat képeznek.

A vízmolekulák vonzzák egymást; hidrogénkötésekkel kapcsolódnak egymáshoz

Ilyen kölcsönhatásuk hatékonysága az, hogy a vizes molekuláris gát akár bizonyos testeket is támogathat, mielőtt elsüllyednek. Az alkalmazások és a kísérletek szakaszában visszatérünk erre a pontra.

Egyéb példák

Az összes folyadék felületi feszültséget mutat, akár kisebb, akár nagyobb mértékben, mint a víz, vagy tiszta anyagok vagy oldatok. A felületének molekuláris akadályainak erőssége és feszültsége közvetlenül függ azok molekuláris kölcsönhatásaitól, valamint a szerkezeti és energetikai tényezőktől.

Kondenzált gázok

Például a folyékony gázmolekulák csak London diszpergáló erőkön keresztül lépnek kölcsönhatásba egymással. Ez összhangban áll azzal a ténnyel, hogy felületi feszültségük alacsony értékű:

-Folyékony hélium, 0,37 dyn / cm -273 ° C-on

-Folyékony nitrogén, 8,85 dyn / cm -196 ° C-on

-Folyékony oxigén, 13,2 dyn / cm -182 ° C-on

A folyékony oxigén felületi feszültsége nagyobb, mint a héliumé, mivel molekuláinak nagyobb tömege van.

Poláris folyadékok

A nem poláris és szerves folyadékok várhatóan nagyobb felületi feszültséggel bírnak, mint ezek a kondenzált gázok. Néhány közülük a következők:

-Dietileter, 17 dyn / cm 20 ° C-on

- n-hexán, 18,40 dyn / cm 20 ° C-on

- n-oktán, 21,80 dyn / cm 20 ° C-on

-Toluol, 27,73 dyn / cm 25 ° C-on

Hasonló tendencia figyelhető meg ezeknek a folyadékoknak: a felületi feszültség növekszik, ha molekulatömegük növekszik. Ezért az n-oktán felületének feszültsége a legnagyobb, és nem a toluol. Itt a molekuláris szerkezetek és a geometriák játszanak szerepet.

A toluol molekulák, lapos és gyűrű alakúak, hatékonyabban lépnek kölcsönhatásba, mint az n-oktán. Ezért a toluol felülete "szorosabb", mint az n-oktán felülete.

Poláris folyadékok

Mivel a poláris folyadék molekulái között erősebb dipól-dipól kölcsönhatások vannak, ezek hajlamosak nagyobb felületi feszültségeket mutatni. De nem mindig ez a helyzet. Néhány példa között van:

-Ecetsav, 27,60 dyn / cm 20 ° C-on

-Aton, 23,70 dyn / cm 20 ° C-on

-Vér: 55,89 dyn / cm 22 ° C-on

-Etanol, 22,27 dyn / cm 20 ° C-on

-Glicerin, 63 dyn / cm 20 ° C-on

- Olvasztott nátrium-klorid, 163 dyn / cm, 650 ° C-on

- 6 M NaCl-oldat, 82,55 dyn / cm 20 ° C-on

Az olvadt nátrium-klorid várhatóan óriási felületi feszültséggel rendelkezik - viszkózus, ionos folyadék.

Másrészt a higany az egyik folyadék, amelynek legnagyobb felületi feszültsége: 487 dyn / cm. Ebben a felület erősen kohéziós higanyatomokból áll, sokkal több, mint a vízmolekulák.

Alkalmazások

Egyes rovarok a víz felületi feszültségét használják ahhoz, hogy rajta járhassanak. Forrás: Pixabay.

A felületi feszültség önmagában nem alkalmazható. Ez azonban nem azt jelenti, hogy nem vesz részt különféle napi jelenségekben, amelyek - ha nem léteznének - nem fordulnának elő.

Például a szúnyogok és más rovarok képesek járni a vízen. Ennek oka az, hogy hidrofób lábaik visszatartják a vizet, míg alacsony tömegük lehetővé teszi számukra, hogy felfüggesztsék a molekuláris gáton anélkül, hogy a folyó, tó, tó stb. Aljára esnének.

A felületi feszültség szintén szerepet játszik a folyadékok nedvesedésében. Minél nagyobb a felületi feszültsége, annál kevésbé hajlamos szivárogni az anyag pórusai vagy repedései. Ezen túlmenően nem nagyon hasznos folyadékok a felületek tisztításához.

mosószerek

Itt vannak a mosószerek, csökkentve a víz felületi feszültségét, és segítve a nagyobb felületek lefedését; miközben javítja zsírtalanító hatását. A felületi feszültség csökkentésével helyet ad levegőmolekuláknak, amelyekkel buborékokat képez.

emulziók

Másrészt az alacsonyabb, magasabb feszültségek kapcsolódnak az emulziók stabilizálódásához, amelyek nagyon fontosak egy különféle termékskála összetételében.

Egyszerű kísérletek

A víz felületi feszültsége miatt lebegő fémkapocs. Forrás: Alvesgaspar

Végül idézünk néhány kísérletet, amelyet bármilyen háztartásban el lehet végezni.

Klip kísérlet

A felületére fémkapocsot helyezünk, hideg vízzel. A fenti képről látható, hogy a klip a víz felületi feszültségének köszönhetően felfüggeszti a felületét. Ha azonban hozzáadunk egy kis láva-porcelánt az üveghez, a felületi feszültség drámaian csökken, és a gemkapocs hirtelen elsüllyed.

Papírhajó

Ha a felszínen papírcsónak vagy fa raklap van, és ha mosogatószert vagy mosószert adunk a tampon fejéhez, akkor érdekes jelenség lép fel: lesz egy visszatérítés, amely azokat az üveg széle felé terjeszti. A papírhajó és a fa raklap elmozdul a mosószerrel mosott tampontól.

Egy másik hasonló és grafikusabb kísérlet ugyanazon művelet megismétlését jelenti, de egy vödör vízben, fekete paprikával meghintve. A fekete bors részecskék eltűnnek, és a felület borított paprikáról kristálytiszta lesz, a bors szélein.

Irodalom

1. Whitten, Davis, Peck és Stanley. (2008). Kémia (8. kiadás). CENGAGE Tanulás.
2. Wikipedia. (2020). Felületi feszültség. Helyreállítva: en.wikipedia.org
3. USGS. (Sf). Felületi feszültség és víz. Helyreállítva: usgs.gov
4. Jones, Andrew Zimmerman. (2020. február 12.). Felületi feszültség - meghatározás és kísérletek. Helyreállítva: gondolat.com
5. Susanna Laurén. (2017. november 15.) Miért fontos a felületi feszültség? Biolin Scientific. Helyreállítva: blog.biolinsc Scientific.com
6. Rookie szülői tudomány. (2019. november 7.). Mi a felületi feszültség - jó tudományos kísérlet. Helyreállítva: rookieparenting.com
7. Jessica Munk. (2020). Felületi feszültség kísérletek. Tanulmány. Helyreállítva: study.com
8. A gyereknek látnia kell ezt. (2020). Hét felületi feszültség kísérlet - fizika lány. Helyreállítva: thekidshouldseethis.com