KAPILLARITET: EGENSKAPER OCH EXEMPEL I VATTEN - KEMI - 2026

Den kapillaritet är en egenskap hos vätskor, som tillåter dem att röra sig rörformiga hål eller porösa ytor även mot tyngdkraften. För detta måste det finnas en balans och koordination av två krafter relaterade till vätskans molekyler: sammanhållning och vidhäftning; dessa två har en fysisk reflektion som kallas ytspänning.

Vätskan måste kunna väta innerväggarna i röret eller porerna i materialet genom vilket det rör sig. Detta inträffar när vidhäftningskraften (vätske-kapillär rörvägg) är större än den intermolekylära sammanhållningskraften. Följaktligen skapar vätskans molekyler starkare interaktioner med materialets atomer (glas, papper etc.) än med varandra.

Källa: MesserWoland via Wikipedia

Det klassiska exemplet på kapillaritet illustreras i jämförelsen av denna egenskap för två väldigt olika vätskor: vatten och kvicksilver.

I bilden ovan kan man se att vattnet stiger upp i rörets väggar, vilket innebär att det har större vidhäftningskrafter; medan med kvicksilver det motsatta inträffar, eftersom dess sammanhållningskrafter, av metallisk bindning, förhindrar det från att väta glaset.

Av denna anledning bildar vatten en konkav menisk och kvicksilver en konvex (kupolformad) menisk. Det bör också noteras att ju mindre rörets radie eller sektionen genom vilken vätskan rör sig, desto större är höjden eller sträckan (jämför höjderna på vattenspelarna för båda rören).

Kapillaritetsegenskaper

-Vätskans yta

Vätskans yta, till exempel vatten, i en kapillär är konkav; det vill säga menisken är konkav. Denna situation inträffar på grund av att de resulterande krafterna som utövas på vattenmolekylerna nära rörets vägg riktas mot den.

I varje menisk finns en kontaktvinkel (θ), som är den vinkel som bildas av väggen i kapillärröret med en linje tangens till vätskans yta vid kontaktpunkten.

Vidhäftning och sammanhållningskrafter

Om vätskans vidhäftningskraft till kapillärväggen råder över den intermolekylära sammanhållningskraften, är vinkeln θ <90º; vätskan väter kapillärväggen och vattnet stiger genom kapilläret och observerar fenomenet känt som kapillaritet.

När en droppe vatten placeras på ytan av ett rent glas sprider vattnet över glaset, så θ = 0 och cos θ = 1.

Om den intermolekylära sammanhållningskraften råder över vätske-kapillärväggens vidhäftningskraft, till exempel i kvicksilver, kommer menisken att vara konvex och vinkeln θ kommer att ha ett värde> 90 °; kvicksilver väter inte kapillärväggen och rinner därför nerför dess inre vägg.

När en droppe kvicksilver placeras på ytan av ett rent glas, behåller droppen sin form och vinkeln θ = 140º.

-Höjd

Vattnet stiger genom kapillärröret tills det når en höjd (h), i vilken vattenspelarens vikt kompenserar den vertikala komponenten i den intermolekylära sammanhållningskraften.

När mer vatten stiger kommer det en punkt där tyngdkraften kommer att stoppa uppstigningen, även med ytspänning som fungerar till din fördel.

När detta händer kan molekylerna inte fortsätta att "klättra" inre väggar, och alla fysiska krafter utjämnas. Å ena sidan har du de krafter som främjar ökningen av vattnet, och å andra sidan din egen vikt som skjuter ner den.

Jurins lag

Detta kan skrivas matematiskt enligt följande:

2 π rϒcosθ = ρgπr ² h

Där ekvationens vänstra sida beror på ytspänningen, vars storlek också är relaterad till sammanhållningen eller intermolekylära krafter; Cosθ representerar kontaktvinkeln och r radien för hålet genom vilket vätskan stiger.

Och på ekvationens högra sida har vi höjden h, tyngdkraften g och vätskans densitet; vilket skulle vara vattnet.

Löser då för h vi har

h = (2ϒcosθ / grgr)

Denna formulering är känd som Jurins lag, som definierar höjden som uppnås med vätskekolonnen, i kapillärröret, när vikten av vätskekolonnen balanseras med uppstigningskraften genom kapillärverkan.

-Ytspänning

Vatten är en dipolmolekyl på grund av syreatomers elektronegativitet och dess molekylära geometri. Detta gör att den del av vattenmolekylen där syret är belägen blir negativt laddad, medan den del av vattenmolekylen som innehåller de två väteatomerna blir positivt laddad.

Molekylerna i vätskan interagerar tack vare detta genom flera vätebindningar och håller dem ihop. De vattenmolekyler som finns i vattnet: luftgränssnittet (ytan) utsätts emellertid för en nettotrekking av molekylerna i sinus i vätskan, inte kompenseras av den svaga attraktionen med luftmolekylerna.

Därför utsätts vattenmolekylerna vid gränssnittet för en attraktiv kraft som tenderar att avlägsna vattenmolekyler från gränssnittet; med andra ord, vätebindningarna som bildas med molekylerna i botten drar de som är på ytan. Således försöker ytspänningen minska ytan på vatten: luftgränssnittet.

Förhållande till h

Om vi ​​tittar på Jurins lagekvation kommer vi att upptäcka att h är direkt proportionell mot ϒ; därför, ju högre ytspänningen för vätskan är, desto större är höjden som kan höjas med en kapillär eller pore av ett material.

På detta sätt förväntas det att för två vätskor, A och B, med olika ytspänningar, kommer den med större ytspänning att stiga till en högre höjd.

Det kan dras slutsatsen med avseende på denna punkt att en hög ytspänning är den viktigaste egenskapen som definierar en vätskes kapilläregenskap.

-Radius av kapillär eller porer genom vilken vätskan stiger

Iakttagandet av Jurins lag indikerar att höjden som en vätska når i en kapillär eller pore är omvänt proportionell mot samma radie.

Därför, desto mindre radie, desto större är höjden som vätskekolonnen når genom kapillärverkan. Detta kan ses direkt i bilden där vatten jämförs med kvicksilver.

I ett glasrör med en radie på 0,05 mm radie kommer vattenspelaren per kapillaritet att nå en höjd av 30 cm. I kapillärrör med en radie av 1 um med ett sugtryck på 1,5 x 10 ³ hPa (vilket är lika med 1,5 atm) motsvarar en beräkning av vattenkolonnens höjd på 14 till 15 m.

Detta är mycket likt det som händer med de sugrör som slår på sig flera gånger. Att smutta ner vätskan skapar en tryckskillnad som får vätskan att stiga upp till munnen.

Det maximala höjdvärdet för kolonnen som uppnås med kapilläritet är teoretiskt, eftersom kapillärernas radie inte kan reduceras utöver en viss gräns.

Poiseuilles lag

Detta fastställer att flödet av en verklig vätska ges av följande uttryck:

Q = (πr ⁴ / 8ηl) AP

När Q är vätskans flöde, är η dess viskositet, l är rörets längd, och ΔP är tryckskillnaden.

När radien för en kapillär minskar bör höjden på vätskekolonnen som nås med kapilläriteten öka på obestämd tid. Poiseuille påpekar emellertid att när radien minskar, minskar också vätskeflödet genom kapilläret.

Viskositet, som är ett mått på motstånd mot flödet av en verklig vätska, skulle också minska vätskeflödet ytterligare.

-Kontaktvinkel (θ)

Ju större värdet på cosθ, desto större är vattenspelarens höjd per kapillaritet, vilket indikeras av Jurins lag.

Om θ är liten och närmar sig noll (0) är cosθ = 1, så värdet h blir maximalt. Tvärtom, om θ är lika med 90º, är cosθ = 0 och värdet på h = 0.

När värdet på θ är större än 90 º, vilket är fallet med den konvexa menisken, stiger inte vätskan med kapillaritet och dess tendens är att sjunka (som inträffar med kvicksilver).

Vattenens kapillaritet

Vatten har ett ytspänningsvärde på 72,75 N / m, relativt högt jämfört med värdena för ytspänning för följande vätskor:

-Aceton: 22,75 N / m

-Etylalkohol: 22,75 N / m

-Hexan: 18,43 N / m

-Metanol: 22,61 N / m.

Därför har vatten en exceptionell ytspänning, som gynnar utvecklingen av kapillitetsfenomenet som är så nödvändigt för absorption av vatten och näringsämnen av växter.

I växter

Källa: Pixabay

Kapillaritet är en viktig mekanism för stigning av sap genom växternas xylem, men det är i sig själv otillräckligt för att få saven till trädens löv.

Transpiration eller avdunstning är en viktig mekanism för stigning av sap genom växternas xylem. Bladen tappar vatten genom dess förångning, vilket ger en minskning i mängden vattenmolekyler, vilket orsakar en attraktion av vattenmolekylerna som finns i kapillärerna (xylem).

Vattenmolekyler verkar inte oberoende av varandra utan samverkar snarare av Van der Waals-krafter, vilket får dem att stiga samman bundna genom växternas kapillärer mot bladen.

Utöver dessa mekanismer bör det noteras att växter absorberar vatten från jorden genom osmos och att ett positivt tryck som alstras i roten, driver början av vattenökningen genom växtens kapillärer.

referenser

1. García Franco A. (2010). Ytliga fenomen. Återställd från: sc.ehu.es
2. Ytfenomen: ytspänning och kapillaritet. . Återställd från: ugr.es
3. Wikipedia. (2018). Kapillaritet. Återställd från: es.wikipedia.org
4. Risvhan T. (nd) Kapillaritet i växter. Återställd från: akademia.edu
5. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (22 december 2018). Kapilläråtgärd: definition och exempel. Återställd från: thoughtco.com
6. Ellen Ellis M. (2018). Kapillärverkan av vatten: Definition och exempel. Studie. Återställd från: study.com
7. ScienceStruck Staff. (16 juli 2017). Exempel som förklarar begreppet och betydelsen av kapilläråtgärder. Återställd från: sciencestruck.com