OVERFLATESPENNING: ÅRSAKER, EKSEMPLER, APPLIKASJONER OG EKSPERIMENTER - KJEMI - 2026

Den overflatespenning er en fysisk egenskap å ha alle fluider, og er karakterisert ved resistens overfor deres overflater motsette seg enhver økning i dens område. Dette er det samme som å si at nevnte overflate vil søke etter et minst mulig område. Dette fenomenet fletter sammen flere kjemiske konsepter, for eksempel samhold, vedheft og intermolekylære krefter.

Overflatespenning er ansvarlig for dannelse av overflatekurvninger av væsker i rørformede beholdere (graderte sylindere, søyler, prøverør osv.). Disse kan være konkave (buede i form av en dal) eller konvekse (buede i en kuppelform). Mange fysiske fenomener kan forklares ved å vurdere endringene som overflatespenningen til en væske gjennomgår.

De sfæriske formene som vanndråpene tar på bladene skyldes delvis overflatespenningen. Kilde: foto tatt av flickr-brukeren tanakawho

Et av disse fenomenene er flytende molekylers tendens til å agglomerere i form av dråper når de hviler på overflater som frastøter dem. For eksempel kan ikke dråpene av vann som vi ser på toppen av bladene, våte den på grunn av dens voksagtige, hydrofobe overflate.

Imidlertid kommer det en tid hvor tyngdekraften spiller sin rolle og dråpen søl ut som en vannkolonne. Lignende fenomen forekommer i sfæriske dråper kvikksølv når de søles fra et termometer.

På den annen side er overflatespenningen til vann den viktigste av alle, siden det bidrar til og organiserer tilstanden til mikroskopiske kropper i vandige medier, for eksempel celler og deres lipidmembraner. I tillegg er denne spenningen ansvarlig for at vannet fordamper sakte, og noen kropper tettere enn det kan flyte på overflaten.

Årsaker til overflatespenning

Forklaringen på fenomenet overflatespenning er på molekylært nivå. Molekylene i en væske samvirker med hverandre, på en slik måte at de er sammenhengende i sin uberegnelige bevegelser. Et molekyl samhandler med naboene ved siden av og med de over eller under det.

Dette skjer imidlertid ikke på samme måte med molekylene på overflaten av væsken, som er i kontakt med luft (eller annen gass), eller med et fast stoff. Molekylene på overflaten kan ikke kohesjon med det ytre miljøet.

Som et resultat opplever de ikke noen krefter som trekker dem oppover; bare nedover, fra naboene i det flytende mediet. For å motvirke denne ubalansen blir "molekylene på overflaten" klemt ", da bare da kan de overvinne kraften som skyver dem ned.

Deretter opprettes en overflate der molekylene er i et mer stramt arrangement. Hvis en partikkel ønsker å trenge gjennom væsken, må den først krysse denne molekylære barrieren proporsjonal med overflatespenningen til nevnte væske. Det samme gjelder en partikkel som ønsker å rømme til det ytre miljø fra væskens dyp.

Derfor oppfører overflaten seg som om det var en elastisk film som viser motstand mot deformasjon.

enheter

Overflatespenning er vanligvis representert med symbolet γ, og uttrykkes i enheter på N / m, kraft ganger lengde. Imidlertid er det meste av tiden dyn / cm. Den ene kan konverteres til den andre ved følgende konverteringsfaktor:

1 dyn / cm = 0,001 N / m

Overflatespenning av vann

Vann er det sjeldneste og mest fantastiske av alle væsker. Overflatespenningen, så vel som flere av dens egenskaper, er uvanlig høy: 72 dyn / cm ved romtemperatur. Denne verdien kan øke til 75,64 dyn / cm, ved en temperatur på 0 ºC; eller reduser til 58,85 ºC, ved en temperatur på 100 ºC.

Disse observasjonene gir mening hvis du vurderer at molekylsperren strammes enda mer ved temperaturer nær frysepunktet, eller "mister" seg litt mer rundt kokepunktet.

Vann har en høy overflatespenning på grunn av sine hydrogenbindinger. Hvis disse i seg selv merkes i væsken, er de enda mer på overflaten. Vannmolekyler er sterkt viklet inn, og danner dipol-dipol interaksjoner av typen H ₂ O-HOH.

Vannmolekyler tiltrekkes av hverandre; er knyttet sammen med hydrogenbindinger

Slik er effektiviteten av deres interaksjoner at den vandige molekylære barrieren til og med kan støtte noen legemer før de synker. I applikasjons- og eksperimentdelene kommer vi tilbake til dette punktet.

Andre eksempler

Alle væsker gir overflatespenninger, enten i mindre eller større grad enn vann, eller om de er rene stoffer eller løsninger. Hvor sterke og anspente molekylsperrene på overflatene er, vil direkte avhenge av deres intermolekylære interaksjoner, så vel som strukturelle og energiske faktorer.

Kondenserte gasser

For eksempel samvirker molekylene av gasser i flytende tilstand bare med hverandre gjennom Londons spredningskrefter. Dette stemmer overens med at overflatespenningene deres har lave verdier:

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

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

-Væske oksygen, 13,2 dyn / cm ved -182 ºC

Overflatespenningen til flytende oksygen er høyere enn helium fordi dens molekyler har større masse.

Apolare væsker

Ikke-polare og organiske væsker forventes å ha høyere overflatespenning enn disse kondenserte gassene. Blant noen av dem har vi følgende:

-Dietileter, 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 trend er observert for disse væskene: overflatespenning øker når molekylmassene øker. Imidlertid bør n-oktanen derfor ha den høyeste overflatespenning og ikke toluen. Her spiller molekylære strukturer og geometrier inn.

Toluenmolekyler, flate og ringformede, har mer effektive interaksjoner enn n-oktan. Derfor er overflaten av toluen "strammere" enn overflaten til n-oktan.

Polare væsker

Ettersom det er sterkere dipol-dipol-interaksjoner mellom molekylene i en polar væske, er deres tendens til å vise høyere overflatespenninger. Men dette er ikke alltid tilfelle. Blant noen eksempler vi har:

-Eddiksyre, 27,60 dyn / cm ved 20 ºC

-Aceton, 23,70 dyn / cm ved 20 ºC

-Blod, 55,89 dyn / cm ved 22 ºC

-Etanol, 22,27 dyn / cm ved 20 ºC

-Glyserol, 63 dyn / cm ved 20 ºC

-Fusert natriumklorid, 163 dyn / cm ved 650 ºC

- 6 M NaCl-løsning, 82,55 dyn / cm ved 20 ºC

Smeltet natriumklorid forventes å ha enorm overflatespenning - det er en tyktflytende, ionisk væske.

På den annen side er kvikksølv en av væskene med høyest overflatespenning: 487 dyn / cm. I den er overflaten sammensatt av sterkt sammenhengende kvikksølvatomer, mye mer enn vannmolekyler kan være.

applikasjoner

Noen insekter bruker vannets overflatespenning for å kunne gå på det. Kilde: Pixabay.

Overflatespenning alene har ingen bruksområder. Dette betyr imidlertid ikke at det ikke er involvert i forskjellige daglige fenomener, som hvis de ikke eksisterte, ikke ville oppstå.

Mygg og andre insekter kan for eksempel gå gjennom vann. Dette skyldes at deres hydrofobe ben frastøter vann, mens deres lave masse gjør at de kan holde seg flytende på molekylsperren uten å falle til bunnen av elven, innsjøen, dammen osv.

Overflatespenning spiller også en rolle i væskens fuktbarhet. Jo høyere overflatespenning, jo mindre er det en tendens til å lekke gjennom porene eller sprekker i et materiale. I tillegg til dette er de ikke veldig nyttige væsker for rengjøring av overflater.

vaskemidler

Det er her vaskemidler virker, reduserer vannets overflatespenning og hjelper det til å dekke større overflater; mens du forbedrer avfettingsvirkningen. Ved å redusere overflatespenningen gir det rom for luftmolekyler som det danner bobler.

emulsjoner

På den annen side er lavere høyere spenninger knyttet til stabilisering av emulsjonene, som er veldig viktige i formuleringen av et annet produktutvalg.

Enkle eksperimenter

Metallklemme som flyter på grunn av overflatespenningen i vannet. Kilde: Alvesgaspar

Til slutt blir det sitert noen eksperimenter som kan utføres i ethvert hjemlig rom.

Klippeksperiment

En metallklips plasseres på overflaten i et glass med kaldt vann. Som sett på bildet over, vil klippet holde seg flytende takket være overflatespenningen i vannet. Men hvis det tilsettes et lite lavinkina til glasset, vil overflatespenningen synke dramatisk og bindersen synker plutselig.

Papirbåt

Hvis vi på overflaten har en papirbåt eller en trepall, og hvis oppvaskmaskinen eller vaskemiddelet blir lagt til hodet på en vattpinne, vil det oppstå et interessant fenomen: det vil være en frastøtning som vil forplante dem mot kantene på glasset. Papirbåten og trepallen vil bevege seg vekk fra den vaskemiddelsmurte vattpinnen.

Et annet lignende og mer grafisk eksperiment består i å gjenta den samme operasjonen, men i en bøtte med vann drysset med svart pepper. De svarte pepperpartiklene vil renne bort og overflaten vil endre seg fra pepper dekket til krystallklar, med pepper på kantene.

referanser

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Kjemi (8. utg.). CENGAGE Læring.
2. Wikipedia. (2020). Overflatespenning. Gjenopprettet fra: en.wikipedia.org
3. USGS. (SF). Overflatespenning og vann. Gjenopprettet fra: usgs.gov
4. Jones, Andrew Zimmerman. (12. februar 2020). Surface Tension - Definisjon og eksperimenter. Gjenopprettet fra: thoughtco.com
5. Susanna Laurén. (15. november 2017). Hvorfor er overflatespenning viktig? Biolin Scientific. Gjenopprettet fra: blog.biolinscientific.com
6. Rookie Parenting Science. (07. november 2019). What Is Surface Tension - Cool Science Experiment. Gjenopprettet fra: rookieparenting.com
7. Jessica Munk. (2020). Overflatespenningseksperimenter. Studere. Gjenopprettet fra: study.com
8. Ungen skal se dette. (2020). Syv eksperiment i overflatespenning - Physics Girl. Gjenopprettet fra: thekidshouldseethis.com