KAPILLARITET: EGENSKAPER OG EKSEMPEL I VANN - KJEMI - 2026

Den kapillaritet er en egenskap av væsker som gjør det mulig for dem å bevege seg rørformede hull eller porøse overflater og med mot tyngdekraften. For dette må det være en balanse og koordinering av to krefter relatert til væskens molekyler: kohesjon og vedheft; disse to har en fysisk refleksjon kalt overflatespenning.

Væsken må være i stand til å våte rørets indre vegger eller porene i materialet som den beveger seg gjennom. Dette skjer når vedheftskraften (væske-kapillærrørvegg) er større enn den intermolekylære samholdskraften. Følgelig skaper væskens molekyler sterkere interaksjoner med atomene i materialet (glass, papir, etc.) enn med hverandre.

Kilde: MesserWoland via Wikipedia

Det klassiske eksemplet på kapillaritet illustreres i sammenligningen av denne egenskapen for to veldig forskjellige væsker: vann og kvikksølv.

På bildet over kan det sees at vannet stiger oppover veggene i røret, noe som betyr at det har større vedheftskrefter; mens det er med kvikksølv, oppstår det motsatte fordi dets samholdskrefter, av metallisk binding, forhindrer det i å fukte glasset.

Av denne grunn danner vann en konkav menisk, og kvikksølv en konveks (kuppelformet) menisk. Det skal også bemerkes at jo mindre radien til røret eller delen som væsken beveger seg gjennom er, desto større er tilbakelagt høyde eller avstand (sammenlign høydene på vannsøylene for begge rør).

Kapillaritetsegenskaper

-Væskeoverflaten

Væskeoverflaten, for å si vann, i en kapillær er konkav; det vil si at menisken er konkav. Denne situasjonen oppstår fordi resultanten av kreftene som utøves på vannmolekylene nær veggen av røret er rettet mot den.

I hver menisk er det en kontaktvinkel (θ), som er vinkelen som dannes av veggen i kapillarrøret med en linje tangens til overflaten av væsken ved kontaktpunktet.

Adhesjon og samholdskrefter

Hvis væskens vedheftskraft til kapillærveggen råder over den intermolekylære kohesjonskraften, er vinkelen θ <90º; væsken fukter kapillærveggen og vannet stiger gjennom kapillæren, og observerer fenomenet kjent som kapillaritet.

Når en dråpe vann plasseres på overflaten av rent glass, sprer vannet seg over glasset, så θ = 0 og cos θ = 1.

Hvis den intermolekylære kohesjonskraften råder over den væskekapillære heftkraft, for eksempel i kvikksølv, vil menisken være konveks og vinkelen θ vil ha en verdi> 90 °; kvikksølv våter ikke kapillærveggen og renner derfor nedover i den indre veggen.

Når en dråpe kvikksølv plasseres på overflaten av et rent glass, beholder dråpen sin form og vinkelen θ = 140º.

-Høyde

Vannet stiger gjennom kapillarrøret til det når en høyde (h), der vekten av vannsøylen kompenserer den vertikale komponenten til den intermolekylære samholdskraften.

Når mer vann stiger, vil det komme et punkt hvor tyngdekraften vil stoppe oppstigningen, selv når overflatespenningen fungerer til din fordel.

Når dette skjer, kan ikke molekylene fortsette å "klatre" på indre vegger, og alle fysiske krefter utjevnes. På den ene siden har du kreftene som fremmer økningen av vannet, og på den andre din egen vekt som presser det ned.

Jurins lov

Dette kan skrives matematisk som følger:

2 π rϒcosθ = ρgπr ² t

Hvor ligningens venstre side avhenger av overflatespenningen, hvis størrelse også er relatert til samholdet eller intermolekylære krefter; Cosθ representerer kontaktvinkelen, og r radien til hullet som væsken stiger gjennom.

Og på høyre side av ligningen har vi høyden h, tyngdekraften g og væsketettheten; som ville være vannet.

Løsning da for h vi har

h = (2ϒcosθ / grgr)

Denne formuleringen er kjent som Jurins lov, som definerer høyden nådd med væskesøylen, i kapillarrøret, når vekten av væskesøylen er balansert med oppstigningskraften ved kapillærvirkning.

-Overflatespenning

Vann er et dipolmolekyl på grunn av oksygenatomets elektronegativitet og dets molekylære geometri. Dette fører til at delen av vannmolekylet der oksygenet befinner seg blir negativt ladet, mens delen av vannmolekylet, som inneholder de 2 hydrogenatomer, blir positivt ladet.

Molekylene i væsken samvirker takket være dette gjennom flere hydrogenbindinger og holder dem sammen. Imidlertid blir vannmolekylene som er i vannet: luftgrensesnitt (overflate) utsatt for en nettotrekking av molekylene i sinus av væsken, ikke kompensert av den svake tiltrekningen med luftmolekylene.

Derfor blir vannmolekylene ved grensesnittet utsatt for en attraktiv kraft som har en tendens til å fjerne vannmolekyler fra grensesnittet; med andre ord, hydrogenbindingene dannet med molekylene i bunnen drar de som er på overflaten. Dermed søker overflatespenning å redusere overflaten på vannet: luft-grensesnittet.

Forholdet til h

Hvis vi ser på Jurins lovligning, vil vi finne at h er direkte proporsjonal med ϒ; Derfor, jo høyere overflatespenning av væsken, desto større er høyden som kan heves med en kapillær eller pore av et materiale.

På denne måten forventes det at for to væsker, A og B, med forskjellige overflatespenninger, vil den med større overflatespenning stige til en høyere høyde.

Det kan konkluderes med hensyn til dette punktet at en høy overflatespenning er det viktigste kjennetegn som definerer en væskes kapillæregenskap.

-Radius av kapillæren eller porene som væsken stiger gjennom

Observasjonen av Jurins lov indikerer at høyden som en væske når i en kapillær eller pore, er omvendt proporsjonal med radien til den samme.

Derfor, jo mindre radius, jo større er høyden som væskesøylen når ved kapillærvirkning. Dette kan sees direkte på bildet der vann sammenlignes med kvikksølv.

I et glassrør med en radius på 0,05 mm radius vil vannsøylen per kapillaritet nå en høyde på 30 cm. I kapillarrør med en radius på 1 um med et sugetrykk på 1,5 x 10 ³ hPa (som er lik 1,5 atm) tilsvarer en beregning av høyden på vannsøylen på 14 til 15 m.

Dette er veldig likt det som skjer med de sugerørene som tenner seg selv flere ganger. Sipping av væsken skaper en trykkforskjell som får væsken til å stige opp til munnen.

Maksimal høydeverdi på kolonnen nådd med kapillaritet er teoretisk, siden radiusen til kapillærene ikke kan reduseres utover en viss grense.

Poiseuilles lov

Dette slår fast at strømmen av en ekte væske blir gitt ved følgende uttrykk:

Q = (πr ⁴ / 8ηl) AP

Hvor Q er væskestrømmen, er η dens viskositet, l er rørets lengde, og isP er trykkforskjellen.

Når radiusen til en kapillær avtar, bør høyden på væskesøylen nådd med kapillariteten øke på ubestemt tid. Poiseuille påpeker imidlertid at når radius synker, reduseres også væskestrømmen gjennom det kapillæret.

Viskositet, som er et mål på motstand mot strømmen av en ekte væske, vil også redusere væskestrømmen ytterligere.

-Kontaktvinkel (θ)

Jo større verdi av cosθ, desto større er høyden på vannsøylen per kapillaritet, som indikert i Jurins lov.

Hvis θ er liten og nærmer seg null (0), er cosθ = 1, så verdien h vil være maksimal. Tvert imot, hvis θ er lik 90º, er cosθ = 0 og verdien av h = 0.

Når verdien av θ er større enn 90 º, som er tilfellet med den konvekse menisken, stiger ikke væsken ved kapillaritet og dens tendens er å synke (som forekommer med kvikksølv).

Vannets kapillaritet

Vann har en overflatespenningsverdi på 72,75 N / m, relativt høy sammenlignet med verdiene for overflatespenning av følgende væsker:

-Aceton: 22,75 N / m

-Etylalkohol: 22,75 N / m

-Hexan: 18,43 N / m

-Metanol: 22,61 N / m.

Derfor har vann en eksepsjonell overflatespenning, som favoriserer utviklingen av kapillærfenomenet som er så nødvendig for absorpsjon av vann og næringsstoffer fra planter.

I planter

Kilde: Pixabay

Kapillaritet er en viktig mekanisme for stigning av sap gjennom xylem av planter, men den er ikke i seg selv tilstrekkelig til å levere saften til bladene på trær.

Transpirasjon eller fordampning er en viktig mekanisme for stigning av sap gjennom xylem av planter. Bladene mister vann gjennom fordampning, og genererer en reduksjon i mengden vannmolekyler, noe som forårsaker en tiltrekning av vannmolekylene som er tilstede i kapillarrørene (xylem).

Vannmolekyler virker ikke uavhengig av hverandre, men samhandler heller av Van der Waals krefter, noe som får dem til å stige bundet sammen gjennom kapillærene til planter mot bladene.

I tillegg til disse mekanismene, skal det bemerkes at planter absorberer vann fra jorda ved osmose, og at et positivt trykk som genereres i roten, driver starten på økningen av vann gjennom kapillærene til planten.

referanser

1. García Franco A. (2010). Overfladiske fenomener. Gjenopprettet fra: sc.ehu.es
2. Overflatefenomener: overflatespenning og kapillaritet. . Gjenopprettet fra: ugr.es
3. Wikipedia. (2018). Kapillaritet. Gjenopprettet fra: es.wikipedia.org
4. Risvhan T. (nd) Kapillaritet i planter. Gjenopprettet fra: akademia.edu
5. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (22. desember 2018). Kapillærhandling: Definisjon og eksempler. Gjenopprettet fra: thoughtco.com
6. Ellen Ellis M. (2018). Kapillær handling av vann: Definisjon og eksempler. Studere. Gjenopprettet fra: study.com
7. ScienceStruck Staff. (16. juli 2017). Eksempler som forklarer konseptet og betydningen av kapillærhandling. Gjenopprettet fra: sciencestruck.com