KAPILLARITET: EGENSKABER OG EKSEMPEL I VAND - KEMI - 2025

Den hårrørsvirkning er en egenskab af væsker, som tillader dem at bevæge rørformede huller eller porøse overflader selv mod tyngdekraften. For dette skal der være en balance og koordination af to kræfter, der er relateret til væskens molekyler: samhørighed og vedhæftning; disse to har en fysisk reflektion kaldet overfladespænding.

Væsken skal være i stand til at våde rørets indre vægge eller porerne i det materiale, gennem hvilket det bevæger sig. Dette sker, når vedhæftningskraften (væske-kapillærrørsvæg) er større end den intermolekylære samhørighedskraft. Som følge heraf skaber væskens molekyler stærkere interaktioner med atomerne i materialet (glas, papir osv.) End med hinanden.

Kilde: MesserWoland via Wikipedia

Det klassiske eksempel på kapillaritet illustreres i sammenligningen af ​​denne egenskab for to meget forskellige væsker: vand og kviksølv.

På billedet ovenfor kan det ses, at vandet stiger op på rørets vægge, hvilket betyder, at det har større vedhæftningskræfter; mens med kviksølv forekommer det modsatte, fordi dens samhørighedskræfter, af metallisk binding, forhindrer det i at befugtes i glasset.

Af denne grund danner vand en konkav menisk, og kviksølv en konveks (kuppelformet) menisk. Det skal også bemærkes, at jo mindre radius af røret eller det afsnit, gennem hvilket væsken bevæger sig, desto større er den højde eller den kørte afstand (sammenlign højderne af vandkolonnerne for begge rør).

Kapillaritetsegenskaber

-Væskeoverfladen

Væskens overflade, for at sige vand, i en kapillær er konkav; det vil sige, at menisken er konkave. Denne situation opstår, fordi det resulterende af de kræfter, der udøves på vandmolekylerne nær rørets væg, er rettet mod det.

I hver menisk er der en kontaktvinkel (θ), som er den vinkel, der dannes af væggen i kapillarrøret med en linie, der tangerer væskeoverfladen ved kontaktpunktet.

Adhæsions- og samhørighedskræfter

Hvis væskens adhæsionskraft til kapillærvæggen hersker over den intermolekylære kohesionskraft, er vinklen θ <90º; væsken befugter kapillærvæggen, og vandet stiger gennem kapillæren og observerer fænomenet kendt som kapillaritet.

Når en dråbe vand placeres på overfladen af ​​et rent glas, spreder vandet sig over glasset, så θ = 0 og cos θ = 1.

Hvis den intermolekylære samhørighedskraft er fremherskende over væskekapillærvægtsadhæsionskraften, for eksempel i kviksølv, vil menisken være konveks, og vinklen θ vil have en værdi> 90º; kviksølv væder ikke kapillærvæggen og løber derfor ned ad dens indvendige væg.

Når en dråbe kviksølv anbringes på overfladen af ​​et rent glas, bevarer dråben sin form og vinklen θ = 140º.

-Højde

Vandet stiger gennem kapillarrøret, indtil det når en højde (h), hvor vægten af ​​vandsøjlen kompenserer den vertikale komponent af den intermolekylære samhørighedskraft.

Når mere vand stiger, vil der komme et punkt, hvor tyngdekraften stopper sin opstigning, selv med overfladespænding, der fungerer til din fordel.

Når dette sker, kan molekylerne ikke fortsætte med at "klatre" indvendige vægge, og alle fysiske kræfter udlignes. På den ene side har du de kræfter, der fremmer vandets stigning, og på den anden din egen vægt, der skubber det ned.

Jurins lov

Dette kan skrives matematisk som følger:

2 π rϒcosθ = ρgπr ² h

Hvor ligningens venstre side afhænger af overfladespændingen, hvis størrelse også er relateret til samhørighed eller intermolekylære kræfter; Cosθ repræsenterer kontaktvinklen og r radius for det hul, gennem hvilket væsken stiger.

Og på højre side af ligningen har vi højden h, tyngdekraften g og væskens densitet; hvilket ville være vandet.

Løsning derefter for h vi har

h = (2ϒcosθ / grgr)

Denne formulering er kendt som Jurins lov, der definerer højden nået med væskesøjlen i kapillarrøret, når vægten af ​​væskesøjlen er afbalanceret med opstigningskraften ved kapillærvirkning.

-Overfladespænding

Vand er et dipolmolekyle på grund af iltatomets elektronegativitet og dets molekylære geometri. Dette får den del af vandmolekylet, hvor iltet befinder sig, til at blive negativt ladet, mens den del af vandmolekylet, der indeholder de 2 hydrogenatomer, bliver positivt ladet.

Molekylerne i væsken interagerer takket være dette gennem flere hydrogenbindinger og holder dem sammen. De vandmolekyler, der er i vandet: luftgrænsefladen (overflade), udsættes imidlertid for en nettoattraktion af molekylerne i sinus af væsken, ikke kompenseret af den svage tiltrækning med luftmolekylerne.

Derfor udsættes vandmolekylerne ved grænsefladen for en attraktiv kraft, der har en tendens til at fjerne vandmolekyler fra grænsefladen; med andre ord, brintbindinger dannet med molekylerne i bunden trækker dem, der er på overfladen. Således søger overfladespænding at reducere overfladen af ​​vand: luft-grænsefladen.

Forholdet til h

Hvis vi ser på Jurins lovligning, vil vi finde ud af, at h er direkte proportional med ϒ; derfor, jo højere væskes overfladespænding, jo større er højden, der kan hæves med en kapillær eller pore af et materiale.

På denne måde forventes det, at for to væsker, A og B, med forskellige overfladespændinger, vil den med større overfladespænding stige til en højere højde.

Det kan konkluderes med hensyn til dette punkt, at en høj overfladespænding er den vigtigste egenskab, der definerer en væskes kapillæreegenskaber.

-Radius af kapillær eller pore, gennem hvilken væsken stiger

Iagttagelsen af ​​Jurins lov indikerer, at den højde, som en væske når i en kapillær eller pore, er omvendt proportional med radius for den samme.

Derfor, jo mindre radius, jo større er højden, som væskesøjlen når ved kapillærvirkning. Dette kan ses direkte på billedet, hvor vand sammenlignes med kviksølv.

I et glasrør med en radius på 0,05 mm radius vil vandsøjlen pr. Kapillaritet nå en højde på 30 cm. I kapillarrør med en radius på 1 um med et sugetryk på 1,5 x 10 ³ hPa (som er lig med 1,5 atm) svarer til en beregning af højden af vandsøjlen på 14. til 15. m.

Dette ligner meget, hvad der sker med de strå, der tænder på sig selv flere gange. Sipping af væsken skaber en trykforskel, der får væsken til at stige op til munden.

Den maksimale højdeværdi for søjlen, der opnås ved kapillaritet, er teoretisk, da kapillærens radius ikke kan reduceres ud over en bestemt grænse.

Poiseuilles lov

Dette viser, at strømmen af ​​en reel væske er givet ved følgende udtryk:

Q = (πr ⁴ / 8ηl) AP

Hvor Q er væskestrømmen, er η dens viskositet, l er rørets længde, og ΔP er trykforskellen.

Når radiusen for en kapillær formindskes, bør højden af ​​væskesøjlen nået ved kapillariteten øges på ubestemt tid. Poiseuille påpeger imidlertid, at når radius falder, falder væskestrømmen gennem kapillaren også.

Viskositet, som er et mål for modstand mod strømmen af ​​en reel væske, ville også reducere væskestrømmen yderligere.

-Kontaktvinkel (θ)

Jo større værdien af ​​cosθ er, jo større er vandkolonnens højde pr. Kapillaritet, som angivet i Jurins lov.

Hvis θ er lille og nærmer sig nul (0), er cosθ = 1, så værdien h vil være maksimal. Tværtimod, hvis θ er lig med 90º, er cosθ = 0 og værdien af ​​h = 0.

Når værdien af ​​θ er større end 90º, hvilket er tilfældet med den konvekse menisk, stiger væsken ikke ved kapillaritet, og dens tendens er at falde ned (som forekommer med kviksølv).

Vandets kapillaritet

Vand har en overfladespændingsværdi på 72,75 N / m, relativt høj sammenlignet med værdierne for overfladespænding af følgende væsker:

-Aceton: 22,75 N / m

-Ethylalkohol: 22,75 N / m

-Hexan: 18,43 N / m

-Methanol: 22,61 N / m.

Derfor har vand en ekstraordinær overfladespænding, som favoriserer udviklingen af ​​kapillaritetsfænomenet, der er så nødvendigt for absorption af vand og næringsstoffer fra planter.

I planter

Kilde: Pixabay

Kapillaritet er en vigtig mekanisme til stigning af sap gennem plantenes xylem, men det er i sig selv ikke tilstrækkelig til at levere saften til træernes blade.

Transpiration eller fordampning er en vigtig mekanisme i opstigningen af ​​safen gennem xylem af planter. Bladene mister vand gennem fordampning, hvilket genererer et fald i mængden af ​​vandmolekyler, hvilket forårsager en tiltrækning af de vandmolekyler, der findes i kapillarrørene (xylem).

Vandmolekyler fungerer ikke uafhængigt af hinanden, men interagerer snarere af Van der Waals-kræfter, hvilket får dem til at stige bundet sammen gennem planternes kapillærer mod bladene.

Ud over disse mekanismer skal det bemærkes, at planter absorberer vand fra jorden ved hjælp af osmose, og at et positivt tryk, der genereres i roden, driver starten på stigningen af ​​vand gennem kapillærerne i planten.

Referencer

1. García Franco A. (2010). Overfladiske fænomener. Gendannes fra: sc.ehu.es
2. Overfladefænomener: overfladespænding og kapillaritet.. Gendannes fra: ugr.es
3. Wikipedia. (2018). Kapillaritet. Gendannet fra: es.wikipedia.org
4. Risvhan T. (nd) Kapillaritet i planter. Gendannes fra: akademia.edu
5. Helmenstine, Anne Marie, ph.d. (22. december 2018). Kapillærhandling: Definition og eksempler. Gendannes fra: thoughtco.com
6. Ellen Ellis M. (2018). Kapillær handling af vand: Definition og eksempler. Undersøgelse. Gendannes fra: study.com
7. ScienceStruck-personale. (16. juli 2017). Eksempler, der forklarer begrebet og betydningen af ​​kapillær handling. Gendannes fra: sciencestruck.com