YTSPÄNNING: ORSAKER, EXEMPEL, APPLIKATIONER OCH EXPERIMENT - KEMI - 2026

Den Ytspänningen är en fysikalisk egenskap som har alla vätskor och kännetecknas av resistens mot deras ytor motsätta sig varje ökning av dess område. Detta är samma sak som att säga att nämnda yta kommer att söka det minsta möjliga området. Detta fenomen sammanflätar flera kemiska begrepp, såsom sammanhållning, vidhäftning och intermolekylära krafter.

Ytspänningen är ansvarig för bildandet av ytskurvningar av vätskor i rörformade kärl (graderade cylindrar, kolumner, provrör, etc.). Dessa kan vara konkava (krökt i form av en dal) eller konvex (krökt i en kupolform). Många fysiska fenomen kan förklaras genom att beakta de förändringar som en vätskes ytspänning genomgår.

De sfäriska former som vattendropparna tar på bladen beror delvis på deras ytspänning. Källa: foto taget av flickr-användaren tanakawho

Ett av dessa fenomen är flytande molekylers tendens att agglomerera i form av droppar när de vilar på ytor som stöter dem. Till exempel kan de droppar vatten som vi ser ovanpå bladen inte väta det på grund av dess vaxartade, hydrofoba yta.

Det kommer emellertid en tid då tyngdekraften spelar sin roll och droppen smälter ut som en kolonn med vatten. Liknande fenomen förekommer i sfäriska droppar kvicksilver när de spills från en termometer.

Å andra sidan är vattens ytspänning det viktigaste av allt eftersom det bidrar till och organiserar tillståndet hos mikroskopiska kroppar i vattenhaltiga medier, såsom celler och deras lipidmembran. Dessutom är denna spänning ansvarig för det faktum att vattnet förångas långsamt och att vissa kroppar är tätare än det kan flyta på ytan.

Orsaker till ytspänning

Förklaringen till fenomenet ytspänning är på molekylnivå. Molekylerna i en vätska interagerar med varandra på ett sådant sätt att de är sammanhängande i sina oberäknade rörelser. En molekyl interagerar med sina grannar bredvid den och med de över eller under den.

Detta händer dock inte samma sak med molekylerna på vätskans yta, som är i kontakt med luft (eller någon annan gas), eller med ett fast ämne. Molekylerna på ytan kan inte sammanhållas med de i den yttre miljön.

Som ett resultat upplever de inga krafter som drar dem uppåt; bara nedåt, från dess grannar i det flytande mediet. För att motverka denna obalans "pressas" molekylerna på ytan, eftersom först då kan de övervinna kraften som trycker ner dem.

En yta skapas sedan där molekylerna är i en mer spänd anordning. Om en partikel vill tränga igenom vätskan måste den först korsa denna molekylära barriär proportionell mot ytans spänning hos nämnda vätska. Detsamma gäller för en partikel som vill fly till den yttre miljön från vätskans djup.

Därför uppträder ytan som om det var en elastisk film som visar motstånd mot deformation.

Enheter

Ytspänningen representeras vanligtvis av symbolen y, och uttrycks i enheter av N / m, kraft gånger längd. Men för det mesta är dess enhet dyn / cm. Den ena kan konverteras till den andra med följande omvandlingsfaktor:

1 dyn / cm = 0,001 N / m

Ytspänning på vatten

Vatten är det sällsynta och mest fantastiska av alla vätskor. Dess ytspänning, liksom flera av dess egenskaper, är ovanligt hög: 72 dyn / cm vid rumstemperatur. Detta värde kan öka till 75,64 dyn / cm vid en temperatur på 0 ºC; eller minska till 58,85 ºC, vid en temperatur på 100 ºC.

Dessa observationer är meningsfulla när man tänker på att den molekylära barriären skärper ännu mer vid temperaturer nära frysning, eller ”lossnar” lite mer runt kokpunkten.

Vatten har en hög ytspänning på grund av dess vätebindningar. Om dessa i sig själva märks i vätskan, är de ännu mer på ytan. Vattenmolekyler är starkt intrasslade och bildar dipol-dipol-interaktioner i H ₂ typ O-HOH.

Vattenmolekyler lockas till varandra; är länkade med vätebindningar

Sådan är effektiviteten i deras interaktioner att den vattenhaltiga molekylära barriären till och med kan stödja vissa kroppar innan de sjunker. I applikations- och experimentavsnitten kommer vi tillbaka till denna punkt.

Andra exempel

Alla vätskor uppvisar ytspänningar, antingen i mindre eller större grad än vatten, eller om de är rena ämnen eller lösningar. Hur starka och spända de molekylära barriärerna på dess ytor är beror direkt på deras intermolekylära interaktioner, liksom strukturella och energiska faktorer.

Kondenserade gaser

Till exempel interagerar molekylerna av gaser i flytande tillstånd bara med varandra genom Londons spridande krafter. Detta överensstämmer med det faktum att deras ytspänningar har låga värden:

-Vikts helium, 0,37 dyn / cm vid -273 ºC

-Vätskväve, 8,85 dyn / cm vid -196 ° C

-Vät syrgas, 13,2 dyn / cm vid -182 ºC

Ytspänningen för flytande syre är högre än för helium eftersom dess molekyler har större massa.

Apolära vätskor

Icke-polära och organiska vätskor förväntas ha högre ytspänningar än dessa kondenserade gaser. Bland några av dem har vi följande:

-Dietileter, 17 dyn / cm vid 20 ºC

- n-Hexane, 18,40 dyn / cm vid 20 ° C

- n-oktan, 21,80 dyn / cm vid 20 ° C

-Toluen, 27,73 dyn / cm vid 25 ºC

En liknande trend observeras för dessa vätskor: ytspänningen ökar när deras molekylmassa ökar. Emellertid bör n-oktanen därför ha den högsta ytspänningen och inte toluen. Här spelas molekylstrukturer och geometrier.

Toluenmolekyler, plana och ringformade, har mer effektiva interaktioner än n-oktan. Därför är toluenens yta "stramare" än ytan på n-oktan.

Polära vätskor

Eftersom det finns starkare dipol-dipolinteraktioner mellan molekylerna i en polär vätska, är deras tendens att visa högre ytspänningar. Men detta är inte alltid fallet. Bland några exempel har vi:

-Ättiksyra, 27,60 dyn / cm vid 20 ºC

-Aceton, 23,70 dyn / cm vid 20 ºC

-Blod, 55,89 dyn / cm vid 22 ºC

-Etanol, 22,27 dyn / cm vid 20 ºC

-Glycerol, 63 dyn / cm vid 20 ºC

-Kondenserad natriumklorid, 163 dyn / cm vid 650 ºC

- 6 M NaCl-lösning, 82,55 dyn / cm vid 20 ° C

Smält natriumklorid förväntas ha enorm ytspänning - det är en viskös, jonisk vätska.

Å andra sidan är kvicksilver en av vätskorna med den högsta ytspänningen: 487 dyn / cm. I den består ytan av starkt sammanhängande kvicksilveratomer, mycket mer än vattenmolekyler kan vara.

tillämpningar

Vissa insekter använder vattens ytspänning för att kunna gå på det. Källa: Pixabay.

Ytspänningen ensam har inga tillämpningar. Detta betyder dock inte att det inte är involverat i olika dagliga fenomen, som om de inte existerade inte skulle inträffa.

Till exempel kan myggor och andra insekter gå igenom vatten. Detta beror på att deras hydrofoba ben avvisar vatten, medan deras låga massa gör att de kan hålla sig flytande på molekylbarriären utan att falla till botten av floden, sjön, dammet etc.

Ytspänningen spelar också en roll i vätskans vätbarhet. Ju högre ytspänning, desto mindre är dess tendens att läcka genom porer eller sprickor i ett material. Utöver detta är de inte särskilt användbara vätskor för rengöring av ytor.

tvättmedel

Det är här där tvättmedel verkar, minskar ytans spänning i vattnet och hjälper det att täcka större ytor; samtidigt som den förbättrar avfettningen. Genom att minska ytspänningen ger det rum för luftmolekyler, med vilka det bildar bubblor.

emulsioner

Å andra sidan är lägre högre spänningar kopplade till stabiliseringen av emulsionerna, vilka är mycket viktiga i formuleringen av ett annat produktsortiment.

Enkla experiment

Metallklämma som flyter på grund av ytans spänning i vattnet. Källa: Alvesgaspar

Slutligen citeras några experiment som kan utföras i valfritt hushåll.

Klippexperiment

En metallklämma placeras på ytan i ett glas med kallt vatten. Som man ser på bilden ovan kommer klippet att vara flytande tack vare vattens ytspänning. Men om en liten lava porslin läggs till glaset kommer ytspänningen att sjunka dramatiskt och pappersklämman sjunker plötsligt.

Pappersbåt

Om vi ​​har en pappersbåt eller en träpall på ytan, och om diskmaskinen eller tvättmedlet läggs till en hårpinne, kommer ett intressant fenomen att inträffa: det kommer att bli en avvisande som sprider dem mot glasets kanter. Pappersbåten och träpallen kommer att röra sig bort från den tvättmedelssprutade vattpinnen.

Ytterligare ett liknande och mer grafiskt experiment består i att upprepa samma operation, men i en hink med vatten beströdd med svartpeppar. De svarta pepparpartiklarna kommer att driva bort och ytan förändras från peppar täckt till kristallklar, med pepparen på kanterna.

referenser

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Kemi (8: e upplagan). CENGAGE Learning.
2. Wikipedia. (2020). Ytspänning. Återställd från: en.wikipedia.org
3. USGS. (Sf). Ytespänning och vatten. Återställd från: usgs.gov
4. Jones, Andrew Zimmerman. (12 februari 2020). Ytespänning - Definition och experiment. Återställd från: thoughtco.com
5. Susanna Laurén. (15 november 2017). Varför är ytspänning viktig? Biolin Scientific. Återställs från: blog.biolinscientific.com
6. Rookie Parenting Science. (07 november 2019). What Is Surface Tension - Cool Science Experiment. Återställd från: rookieparenting.com
7. Jessica Munk. (2020). Ytspänningsförsök. Studie. Återställd från: study.com
8. Barnet bör se detta. (2020). Sju ytspänningsexperiment - Physics Girl. Återställd från: thekidshouldseethis.com