OVERFLADESPÆNDING: ÅRSAGER, EKSEMPLER, APPLIKATIONER OG EKSPERIMENTER - KEMI - 2025

Den overfladespænding er en fysisk egenskab med alle væsker og er karakteriseret ved resistens over for deres overflader modsætte sig enhver stigning i dets område. Dette er det samme som at sige, at den nævnte overflade vil søge det mindst mulige område. Dette fænomen sammenfletter flere kemiske begreber, såsom samhørighed, vedhæftning og intermolekylære kræfter.

Overfladespænding er ansvarlig for dannelsen af ​​overfladekurvninger af væsker i rørformede kar (graduerede cylindre, søjler, prøverør osv.). Disse kan være konkave (buede i form af en dal) eller konvekse (buede i en kuppelform). Mange fysiske fænomener kan forklares ved at overveje de ændringer, som en væskes overfladespænding gennemgår.

De sfæriske former, som dråberne vand tager på bladene skyldes delvis deres overfladespænding. Kilde: foto taget af flickr-bruger tanakawho

Et af disse fænomener er tendensen fra flydende molekyler til at agglomerere i form af dråber, når de hviler på overflader, der afviser dem. For eksempel kan dråberne af vand, som vi ser oven på bladene, ikke våde det på grund af dets voksagtige, hydrofobe overflade.

Der kommer dog et tidspunkt, hvor tyngdekraften spiller sin rolle, og dråben udtømmes som en søjle med vand. Lignende fænomen forekommer i sfæriske dråber kviksølv, når de spildes fra et termometer.

På den anden side er vandets overfladespænding den vigtigste af alle, da det bidrager til og organiserer tilstanden af ​​mikroskopiske legemer i vandige medier, såsom celler og deres lipidmembraner. Derudover er denne spænding ansvarlig for det faktum, at vandet fordamper langsomt, og nogle kroppe er tættere end det kan flyde på dens overflade.

Årsager til overfladespænding

Forklaringen på fænomenet overfladespænding er på molekylært niveau. Molekylerne i en væske interagerer med hinanden på en sådan måde, at de er sammenhængende i deres uberegnelige bevægelser. Et molekyle interagerer med sine naboer ved siden af ​​det og med dem over eller under det.

Dette sker dog ikke det samme med molekylerne på væskeoverfladen, som er i kontakt med luft (eller anden gas) eller med et fast stof. Molekylerne på overfladen kan ikke kohesion med molekylerne i det ydre miljø.

Som et resultat oplever de ikke kræfter, der trækker dem opad; kun nedad fra sine naboer i det flydende medium. For at modvirke denne ubalance "presses" molekylerne på overfladen, da først da kan de overvinde kraften, der skubber dem ned.

Derefter oprettes en overflade, hvor molekylerne er i et mere stramt arrangement. Hvis en partikel ønsker at trænge igennem væsken, skal den først krydse denne molekylære barriere, der er proportional med væskens overfladespænding. Det samme gælder en partikel, der ønsker at flygte til det ydre miljø fra væskens dybder.

Derfor opfører dens overflade sig som om det var en elastisk film, der viser modstand mod deformation.

Enheder

Overfladespænding er normalt repræsenteret af symbolet y og udtrykkes i enheder på N / m, kraft gange længde. Men det meste af tiden er enheden dyn / cm. Den ene kan konverteres til den anden ved hjælp af følgende konverteringsfaktor:

1 dyn / cm = 0,001 N / m

Overfladespænding af vand

Vand er det sjældneste og mest fantastiske af alle væsker. Dets overfladespænding såvel som flere af dens egenskaber er usædvanligt høj: 72 dyn / cm ved stuetemperatur. Denne værdi kan stige til 75,64 dyn / cm ved en temperatur på 0 ºC; eller sænk til 58,85 ºC ved en temperatur på 100 ºC.

Disse iagttagelser giver mening, når man overvejer, at den molekylære barriere strammes endnu mere ved temperaturer tæt på frysning, eller ”løsnes” lidt mere omkring kogepunktet.

Vand har en høj overfladespænding på grund af dets brintbindinger. Hvis disse i sig selv er mærkbare i væsken, er de endnu mere på overfladen. Vandmolekyler er stærkt sammenfiltrede, danner dipol-dipol vekselvirkninger af H ₂ O-HOH typen.

Vandmolekyler tiltrækkes af hinanden; er forbundet med brintbindinger

Sådan er effektiviteten af ​​deres interaktioner, at den vandige molekylbarriere endda kan understøtte nogle kroppe, før de synker. I afsnit om applikationer og eksperimenter vender vi tilbage til dette punkt.

Andre eksempler

Alle væsker udviser overfladespændinger, enten i mindre eller større grad end vand, eller om de er rene stoffer eller opløsninger. Hvor stærke og spændte de molekylære barrierer på dens overflader er, afhænger direkte af deres intermolekylære interaktioner såvel som strukturelle og energiske faktorer.

Kondenserede gasser

F.eks. Interagerer molekylerne af gasser i den flydende tilstand kun med hinanden gennem Londons spredningskræfter. Dette stemmer overens med det faktum, at deres overfladespænding har lave værdier:

-Vægt helium, 0,37 dyn / cm ved -273 ºC

-Vægt nitrogen, 8,85 dyn / cm ved -196 ºC

-Vægt oxygen, 13,2 dyn / cm ved -182 ºC

Overfladespændingen for flydende ilt er højere end heliums, fordi dens molekyler har større masse.

Apolære væsker

Ikke-polære og organiske væsker forventes at have større overfladespænding end disse kondenserede gasser. Blandt nogle af dem har vi følgende:

-Dietilether, 17 dyn / cm ved 20 ºC

- n-Hexane, 18,40 dyn / cm ved 20 ° C

- n-oktan, 21,80 dyn / cm ved 20 ° C

-Toluen, 27,73 dyn / cm ved 25 ºC

En lignende tendens observeres for disse væsker: overfladespænding stiger, når deres molekylmasse stiger. Imidlertid bør n-oktanen derfor have den højeste overfladespænding og ikke toluen. Her spiller molekylære strukturer og geometrier ind.

Toluenmolekyler, flade og ringformede, har mere effektive interaktioner end n-oktan. Derfor er overfladen af ​​toluen "strammere" end overfladen af ​​n-oktan.

Polære væsker

Da der er stærkere dipol-dipol-interaktioner mellem molekylerne i en polær væske, er deres tendens til at vise højere overfladespændinger. Men dette er ikke altid tilfældet. Blandt nogle eksempler har vi:

-Eddikesyre, 27,60 dyn / cm ved 20 ºC

-Aceton, 23,70 dyn / cm ved 20 ° C

-Blod, 55,89 dyn / cm ved 22 ºC

-Ethanol, 22,27 dyn / cm ved 20 ° C

-Glycerol, 63 dyn / cm ved 20 ºC

-Fuseret natriumchlorid, 163 dyn / cm ved 650 ºC

- 6 M NaCl-opløsning, 82,55 dyn / cm ved 20 ° C

Smeltet natriumchlorid forventes at have enorm overfladespænding - det er en viskøs, ionisk væske.

På den anden side er kviksølv en af ​​væskerne med den højeste overfladespænding: 487 dyn / cm. I den er dens overflade sammensat af stærkt sammenhængende kviksølvatomer, meget mere end vandmolekyler kan være.

Applikationer

Nogle insekter bruger vandets overfladespænding for at kunne gå på det. Kilde: Pixabay.

Overfladespænding alene har ingen anvendelser. Dette betyder dog ikke, at det ikke er involveret i forskellige daglige fænomener, som, hvis de ikke eksisterede, ikke ville forekomme.

For eksempel kan myg og andre insekter gå gennem vand. Dette skyldes, at deres hydrofobe ben afviser vand, mens deres lave masse giver dem mulighed for at forblive flydende på den molekylære barriere uden at falde til bunden af ​​floden, søen, dammen osv.

Overfladespænding spiller også en rolle i væskens befugtbarhed. Jo højere dens overfladespænding, desto mindre er dens tendens til at lække gennem porer eller revner i et materiale. Derudover er de ikke særlig nyttige væsker til rengøring af overflader.

Rengøringsmidler

Det er her, vaskemidler virker, hvilket reducerer vandets overfladespænding og hjælper det med at dække større overflader; og samtidig forbedre dens affedtende virkning. Ved at mindske dens overfladespænding giver det plads til luftmolekyler, som det danner bobler.

emulsioner

På den anden side er lave højere spændinger forbundet med stabiliseringen af ​​emulsionerne, som er meget vigtige i formuleringen af ​​et andet produktsortiment.

Enkle eksperimenter

Metalklip flyder på grund af vandets overfladespænding. Kilde: Alvesgaspar

Endelig citeres nogle eksperimenter, der kan udføres i ethvert hjemligt rum.

Klipeksperiment

En metalklip placeres på dens overflade i et glas med koldt vand. Som det ses på billedet ovenfor, vil klippet forblive flydende takket være overfladespændingen i vandet. Men hvis der tilsættes en lille lavakina til glasset, vil overfladespændingen falde dramatisk, og papirklemmen synker pludselig.

Papirbåd

Hvis vi på overfladen har en papirbåd eller en træpalle, og hvis opvaskemaskinen eller vaskemidlet sættes til hovedet af en pinde, vil der opstå et interessant fænomen: der vil være en frastødelse, der spreder dem mod glassets kanter. Papirbåden og træpallen bevæger sig væk fra den vaskemiddelsmørede pinde.

Et andet lignende og mere grafisk eksperiment består i at gentage den samme operation, men i en spand vand drysset med sort peber. De sorte peberpartikler vil flyde væk, og overfladen skifter fra peber dækket til krystalklar, med peber på kanterne.

Referencer

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Kemi (8. udgave). CENGAGE Læring.
2. Wikipedia. (2020). Overfladespænding. Gendannet fra: en.wikipedia.org
3. USGS. (Sf). Overfladespænding og vand. Gendannes fra: usgs.gov
4. Jones, Andrew Zimmerman. (12. februar 2020). Overfladespænding - definition og eksperimenter. Gendannes fra: thoughtco.com
5. Susanna Laurén. (15. november 2017). Hvorfor er overfladespænding vigtig? Biolin Scientific. Gendannes fra: blog.biolinscientific.com
6. Rookie Parenting Science. (7. november 2019). Hvad er overfladespænding - Cool videnskabseksperiment. Gendannes fra: rookieparenting.com
7. Jessica Munk. (2020). Overfladespændingseksperimenter. Undersøgelse. Gendannes fra: study.com
8. Børnet skulle se dette. (2020). Syv eksperimenter med overfladespænding - Physics Girl. Gendannes fra: thekidshouldseethis.com