KAPILARNOST: KARAKTERISTIKE I PRIMJER U VODI - KEMIJA - 2025

Kapilarnost je svojstvo tekućina koja im omogućuje da se presele cjevaste rupa ili porozne površine i protiv sile teže. Za to moraju postojati ravnoteža i koordinacija dviju sila povezanih s molekulama tekućine: kohezije i adhezije; ovo dvoje imaju fizički odraz koji se naziva površinska napetost.

Tekućina mora biti u stanju navlažiti unutarnje zidove cijevi ili pore materijala kroz koji prolazi. To se događa kada je sila adhezije (tekućina-kapilarna stijenka cijevi) veća od sile intermolekularne kohezije. Slijedom toga, molekule tekućine stvaraju jače interakcije s atomima materijala (staklo, papir itd.) Nego jedni s drugima.

Izvor: MesserWoland putem Wikipedije

Klasični primjer kapilarnosti prikazan je usporedbom ovog svojstva za dvije vrlo različite tekućine: vodu i živu.

Na slici iznad može se vidjeti da voda raste prema zidovima cijevi, što znači da ima veće snage prianjanja; dok se kod žive događa suprotno, jer njezine kohezijske sile, metalne veze, sprečavaju vlaženje čaše.

Iz tog razloga voda tvori konkavni meniskus, a živa konveksni meniskus u obliku kupole. Također treba napomenuti da što je manji polumjer cijevi ili presjeka kroz koji tekućina putuje, veća je visina ili prijeđena udaljenost (usporedite visine vodenih stupova za obje cijevi).

Kapilarne karakteristike

-Površina tekućine

Površina tekućine, da kažemo voda, u kapilari je konkavna; odnosno meniskus je konkavan. Do ove situacije dolazi jer su rezultirajuće sile koje djeluju na molekule vode u blizini zida cijevi usmjerene prema njoj.

U svakom meniskusu postoji kontaktni kut (θ), koji je kut formiran od stijenke kapilarne cijevi s linijom koja je tangenta na površini tekućine na mjestu kontakta.

Sile adhezije i kohezije

Ako sila adhezije tekućine na stijenku kapilara prevladava nad intermolekularnom kohezijskom silom, tada je kut θ <90º; tekućina mokri kapilarni zid, a voda se izdiže kroz kapilar, promatrajući fenomen poznat kao kapilarnost.

Kada se kap vode stavi na površinu čiste čaše, voda se širi po čaši, pa su θ = 0 i cos θ = 1.

Ako međumolekularna kohezijska sila prevlada nad adhezijskom silom tekuće-kapilarne stijenke, na primjer u živoj, meniskus će biti konveksan, a kut θ imat će vrijednost> 90 °; živa ne vlaži zid kapilara i zbog toga teče niz njegov unutarnji zid.

Kada se kap žive stavi na površinu čiste čaše, kap zadrži svoj oblik i kut θ = 140º.

-Visina

Voda se diže kroz kapilarnu cijev sve dok ne dosegne visinu (h), u kojoj težina vodenog stupca kompenzira vertikalnu komponentu intermolekularne kohezijske sile.

Što se više vode diže, doći će do točke u kojoj će gravitacija zaustaviti svoj uspon, čak i ako površinska napetost djeluje u vašu korist.

Kad se to dogodi, molekule se ne mogu nastaviti "penjati" unutarnjim zidovima i sve se fizičke sile izjednače. S jedne strane imate snage koje potiču porast vode, a s druge vlastitu težinu koja je gura.

Jurinov zakon

To se može matematički napisati na sljedeći način:

2 π rϒcosθ = ρgπr ² h

Gdje lijeva strana jednadžbe ovisi o površinskoj napetosti, čija je veličina također povezana s kohezijskim ili intermolekularnim silama; Cosθ predstavlja kontaktni kut, a r polumjer rupe kroz koju se diže tekućina.

A na desnoj strani jednadžbe imamo visinu h, silu gravitacije g i gustoću tekućine; koja bi bila voda.

Rješavanje tada za h imamo

h = (2ϒcosθ / ρgr)

Ta je formulacija poznata kao Jurinov zakon, koja definira visinu dosegnutu u stupcu tekućine, u kapilarnoj cijevi, kada se masa stupa tekućine uravnotežuje snagom uspona kapilarnim djelovanjem.

-Površinska napetost

Voda je dipolna molekula, uslijed elektronegativnosti atoma kisika i njegove molekularne geometrije. Zbog toga se dio molekule vode u kojoj se nalazi kisik postaje negativno nabijen, dok dio molekule vode, koji sadrži 2 atoma vodika, postaje pozitivno nabijen.

Molekule u tekućini djeluju zahvaljujući tome kroz više vodikovih veza, koje ih drže zajedno. Međutim, molekule vode koje se nalaze u vodi: sučelje zraka (površina) izložene su mrežnoj privlačnosti molekula sinusa tekućine, a ne nadoknađuje slaba privlačnost molekulama zraka.

Stoga su molekule vode na sučelju izložene atraktivnoj sili koja teži uklanjanju molekula vode s sučelja; drugim riječima, vodikove veze nastale s molekulama na dnu povlače one koje se nalaze na površini. Stoga površinska napetost nastoji smanjiti površinu sučelja voda: zrak.

Odnos s h

Ako pogledamo Jurinovu jednadžbu zakona, ustanovit ćemo da je h izravno proporcionalan ϒ; prema tome, što je veća površinska napetost tekućine, to je veća visina koja se može podići kapilom ili porema materijala.

Na taj će se način očekivati ​​da će se za dvije tekućine, A i B, s različitim površinskim napetostima, onaj s većom površinskom napetošću podići na veću visinu.

S tim u vezi može se zaključiti da je visoka površinska napetost najvažnija karakteristika koja definira kapilarno svojstvo tekućine.

-Radius kapilara ili pora kroz koje se tekućina izdiže

Promatranje Jurinovog zakona ukazuje da je visina koju neka tekućina doseže u kapilarima ili porama obrnuto proporcionalna polumjeru istog.

Dakle, što je manji polumjer, to je veća visina koju stupac tekućine doseže kapilarnim djelovanjem. To se može vidjeti izravno na slici gdje se voda uspoređuje s živom.

U staklenoj cijevi s polumjerom od 0,05 mm vodeni će stup po kapilarnosti doseći visinu od 30 cm. U kapilarnim cijevima s polumjerom od 1 µm s tlakom usisa 1,5 x 10 ³ hPa (što je jednako 1,5 atm) odgovara izračunu visine vodenog stupca od 14 do 15 m.

To je vrlo slično onome što se događa s onim slamkama koje se nekoliko puta okreću. Ispijanje tekućine stvara razlike u tlaku zbog kojih se tekućina uspinje do usta.

Maksimalna visinska vrijednost stupa koja se doseže kapilarom teoretska je jer se polumjer kapilara ne može smanjiti iznad određene granice.

Poiseuilleov zakon

Ovo utvrđuje da se protok stvarne tekućine daje sljedećim izrazom:

Q = (πr ⁴ / 8ηl) ΔP

Gdje je Q protok tekućine, η je njegova viskoznost, l je duljina cijevi, a ΔP razlika tlaka.

Kako se radijus kapilare smanjuje, visina stupa tekućine dosegnuta kapilarnošću trebala bi se povećavati u nedogled. Međutim, Poiseuille ističe da kako se radijus smanjuje, protok tekućine kroz taj kapilar također se smanjuje.

Također, viskoznost, koja je mjera otpornosti na tok stvarne tekućine, dodatno bi smanjila protok tekućine.

-Kontaktni kut (θ)

Što je veća vrijednost cosθ, to je veća visina stupca vode po kapilaritetu, kao što pokazuje Jurinov zakon.

Ako je θ mala i približava se nuli (0), cosθ je = 1, pa će vrijednost h biti maksimalna. Naprotiv, ako je θ jednak 90º, cosθ = 0 i vrijednost h = 0.

Kada je vrijednost θ veća od 90 °, što je slučaj sa konveksnim meniskusom, tekućina se ne povećava kapilarno i tendencija je da se spušta (kao što se događa kod žive).

Kapilarnost vode

Voda ima površinsku napetost od 72,75 N / m, relativno visoku u odnosu na vrijednosti površinske napetosti sljedećih tekućina:

-Aceton: 22,75 N / m

-Etilni alkohol: 22,75 N / m

-Heksan: 18,43 N / m

-Metanol: 22,61 N / m.

Stoga voda ima izuzetnu površinsku napetost, što pogoduje razvoju fenomena kapilarnosti toliko potrebnom da biljke apsorbiraju vodu i hranjive tvari.

U biljkama

Izvor: Pixabay

Kapilarnost je važan mehanizam za uspon soka kroz ksilem biljaka, ali sam po sebi nije dovoljan da bi sok dospio u lišće stabala.

Transpiracija ili isparavanje važan je mehanizam u usponu soka kroz ksilem biljaka. Listovi gube vodu isparavanjem stvarajući smanjenje količine molekula vode, što uzrokuje privlačenje molekula vode prisutnih u kapilarnim cijevima (ksilem).

Molekule vode ne djeluju neovisno jedna o drugoj, već djeluju međusobno pomoću sila Van der Waalsa, zbog čega se zajedno uspravljaju kroz kapilare biljaka prema lišću.

Uz ove mehanizme, valja napomenuti da biljke apsorbiraju vodu iz tla osmozom i da pozitivan tlak generiran u korijenu, pokreće početak porasta vode kroz kapilare biljke.

Reference

1. García Franco A. (2010). Površne pojave. Oporavak od: sc.ehu.es
2. Površinski fenomeni: površinska napetost i kapilarnost., Oporavak od: ugr.es
3. Wikipedia. (2018.). Kapilarnost. Oporavilo sa: es.wikipedia.org
4. Risvhan T. (nd) Kapilarnost u biljkama. Oporavak od: academia.edu
5. Helmenstine, Anne Marie, dr. Sc. (22. prosinca 2018.). Kapilarna akcija: definicija i primjeri. Oporavilo od: misel.com
6. Ellen Ellis M. (2018). Kapilarno djelovanje vode: definicija i primjeri. Studija. Oporavilo od: study.com
7. ScienceStruck osoblje. (16. srpnja 2017.). Primjeri koji objašnjavaju pojam i značenje kapilarnog djelovanja. Oporavilo od: sciencestruck.com