KAPILLAARISUUS: OMINAISUUDET JA ESIMERKKI VEDESSÄ - KEMIA - 2026

Kapillaarisuus on ominaisuus nesteiden, jonka avulla ne voivat siirtyä putkimaisen reikiä tai huokoisten pintojen jopa painovoimaa vastaan. Tätä varten on oltava tasapaino ja koordinaatio kahdella nesteen molekyyleihin liittyvällä voimalla: koheesio ja tarttuvuus; näillä kahdella on fyysinen heijastus, jota kutsutaan pintajännitykseksi.

Nesteen on kyettävä kostuttamaan putken sisäseinämät tai materiaalin huokoset, jonka läpi se kulkee. Tämä tapahtuu, kun tarttuvuusvoima (neste-kapillaariputken seinä) on suurempi kuin molekyylien välinen koheesiovoima. Tämän seurauksena nesteen molekyylit luovat voimakkaamman vuorovaikutuksen materiaalin atomien (lasi, paperi jne.) Kanssa kuin toistensa kanssa.

Lähde: MesserWoland Wikipedian kautta

Klassinen esimerkki kapillaarisuudesta on havainnollistettu vertaamalla tätä ominaisuutta kahdelle hyvin erilaiselle nesteelle: vedelle ja elohopealle.

Yllä olevassa kuvassa voidaan nähdä, että vesi nousee putken seinämiä pitkin, mikä tarkoittaa, että sillä on suurempia tarttuvuusvoimia; kun taas elohopeassa tapahtuu päinvastoin, koska sen metallisen sidoksen koheesiovoimat estävät sitä kostuttamasta lasia.

Tästä syystä vesi muodostaa koveran meniskin ja elohopea kupera (kupolin muotoinen) meniski. On myös huomattava, että mitä pienempi on putken tai sen osan säde, jonka läpi neste kulkee, sitä suurempi on kuljettu korkeus tai etäisyys (vertaa kummankin putken vesipylväiden korkeuksia).

Kapillaarisuusominaisuudet

-Nesteen pinta

Nesteen, sanoen veden, pinta kapillaarissa on kovera; ts. meniski on kovera. Tämä tilanne syntyy, koska putken seinämän lähellä vesimolekyyleihin kohdistuvat voimat johdetaan sitä kohti.

Jokaisessa meniskissä on kosketuskulma (θ), joka on kapillaariputken seinämän muodostama kulma linjalla, joka koskettaa nesteen pintaa kosketuskohdassa.

Tartunta- ja koheesiovoimat

Jos nesteen tarttuvuusvoima kapillaariseinään ylittää molekyylien välisen koheesiovoiman, kulma on θ <90º; neste kastelee kapillaariseinämää ja vesi nousee kapillaarin läpi tarkkailemalla kapillaarisuudeksi kutsuttua ilmiötä.

Kun tippaa vettä asetetaan puhtaan lasin pinnalle, vesi leviää lasin yli, joten θ = 0 ja cos θ = 1.

Jos molekyylien välinen koheesiovoima on suurempi kuin neste-kapillaariseinämän tarttuvuusvoima, esimerkiksi elohopeassa, meniski on kupera ja kulman θ arvo on> 90º; elohopea ei kastele kapillaariseinää ja valuu siksi sen sisäseinään.

Kun tippa elohopeaa asetetaan puhtaan lasin pinnalle, tippa säilyttää muodonsa ja kulman θ = 140º.

-Korkeus

Vesi nousee kapillaariputken läpi korkeuden (h) saavuttamiseen, jossa vesipylvään paino kompensoi molekyylien välisen koheesiovoiman pystysuuntaisen komponentin.

Kun enemmän vettä nousee, tulee kohta, jossa painovoima lopettaa nousunsa, jopa pintajännityksen toimiessa sinun eduksesi.

Kun tämä tapahtuu, molekyylit eivät voi jatkaa "kiipeämistä" sisäseinistä, ja kaikki fysikaaliset voimat tasaantuvat. Toisaalta sinulla on voimia, jotka edistävät veden nousua, ja toisaalta oma painosi työntää sitä alas.

Jurinin laki

Tämä voidaan kirjoittaa matemaattisesti seuraavasti:

2 π rϒcosθ = ρgπr ² h

Missä yhtälön vasen puoli riippuu pintajännityksestä, jonka suuruus liittyy myös koheesio- tai molekyylien välisiin voimiin; Cosθ edustaa kosketuskulmaa ja r reiän säde, jonka läpi neste nousee.

Ja yhtälön oikealla puolella on korkeus h, painovoima g ja nesteen tiheys; mikä olisi vettä.

Ratkaiseminen sitten h meillä on

h = (2ϒcosθ / ρgr)

Tätä formulaatiota kutsutaan Jurinin lakiksi, joka määrittelee nestepylvään saavuttaman korkeuden kapillaariputkessa, kun nestepylvään paino tasapainottuu kapillaarivaikutuksella tapahtuvan ylösnousemisvoiman kanssa.

-Pintajännitys

Vesi on dipolimolekyyli, johtuen happiatomin elektronegatiivisuudesta ja sen molekyylin geometriasta. Tämä aiheuttaa vesimolekyylin osan, jossa happi sijaitsee, negatiivisesti varautuneena, kun taas vesimolekyylin osa, joka sisältää 2 vetyatomia, muuttuu positiivisesti varautuneeksi.

Nesteessä olevat molekyylit ovat vuorovaikutuksessa tämän ansiosta useiden vety sidosten kautta pitäen niitä yhdessä. Vesimolekyylit, jotka ovat veden: ilman rajapinnassa (pinta), altistuvat kuitenkin nesteen sinus-molekyylien nettovoima-aineelle, jota ei kompensoi heikko vetovoima ilmamolekyylien kanssa.

Siksi veden molekyylit rajapinnalla altistetaan houkuttelevalle voimalle, jolla on taipumus poistaa vesimolekyylejä rajapinnalta; toisin sanoen, pohjassa olevien molekyylien kanssa muodostuneet vety sidokset vetävät pinnalla olevia. Siten pintajännityksellä pyritään vähentämään veden ja ilman pinta-alaa.

Sukulaisuussuhde henkilöön h

Jos tarkastelemme Jurinin lakiyhtälöä, huomaat, että h on suoraan verrannollinen ϒ: ään; siksi mitä korkeampi nesteen pintajännitys, sitä korkeampaa materiaalin kapillaari tai huokoset voivat nostaa.

Tällä tavalla odotetaan, että kahdelle nesteelle, A ja B, joilla on erilaiset pintajännitykset, se, jolla on suurempi pintajännitys, nousee korkeammalle.

Tähän kohtaan voidaan päätellä, että korkea pintajännitys on tärkein ominaisuus, joka määrittelee nesteen kapillaariominaisuuden.

- Kapillaarin tai huokosen säteily, jonka läpi neste nousee

Jurinin lain havaitseminen osoittaa, että nesteen saavuttama korkeus kapillaarissa tai huokosessa on käänteisesti verrannollinen saman säteen kanssa.

Siksi mitä pienempi säde, sitä korkeammaksi nestekolonni saavuttaa kapillaarivaikutuksella. Tämä näkyy suoraan kuvassa, jossa vettä verrataan elohopeaan.

Lasiputkessa, jonka säde on 0,05 mm, vesipylväs kapillaarisuutta kohden saavuttaa 30 cm korkeuden. Kapillaariputkissa, joiden säde on 1 μm ja imupaine 1,5 x 10 ³ hPa (joka on yhtä suuri kuin 1,5 atm), vastaa vesipylvään korkeuden laskelmaa 14-15 m.

Tämä on hyvin samanlaista kuin mitä tapahtuu niiden olkien kanssa, jotka kääntyvät itsensä päälle useita kertoja. Nesteen sieminen aiheuttaa paine-eron, joka saa nesteen nousemaan suuhun.

Kapillaarin saavuttama pylvään enimmäiskorkeus on teoreettinen, koska kapillaarien sädettä ei voida pienentää tietyn rajan yli.

Poiseuillen laki

Tämä osoittaa, että todellisen nesteen virtaus saadaan seuraavalla lausekkeella:

Q = (πr ⁴ / 8ηl) AP

Missä Q on nesteen virtaus, η on sen viskositeetti, l on putken pituus ja ΔP on paine-ero.

Kun kapillaarin säde pienenee, kapillaarin saavuttaman nestekolonnin korkeuden tulisi kasvaa määräämättä. Poiseuille huomauttaa kuitenkin, että säteen pienentyessä myös nesteen virtaus kapillaarin läpi vähenee.

Myös viskositeetti, joka on vastus todellisen nesteen virtaukselle, vähentäisi edelleen nesteen virtausta.

-Kontaktikulma (θ)

Mitä suurempi on cosθ-arvo, sitä suurempi vesipylvään korkeus kapillaarisuutta kohti, kuten Jurinin laki osoittaa.

Jos θ on pieni ja lähestyy nollaa (0), cosθ on = 1, joten arvo h on maksimi. Päinvastoin, jos θ on yhtä suuri kuin 90º, cosθ = 0 ja arvo h = 0.

Kun θ -arvo on suurempi kuin 90º, kuten on kupera meniski, neste ei nouse kapillaarin avulla ja sen taipumus laskeutua (kuten tapahtuu elohopealla).

Veden kapillaarisuus

Veden pintajännitysarvo on 72,75 N / m, suhteellisen korkea verrattuna seuraavien nesteiden pintajännitysarvoihin:

- asetoni: 22,75 N / m

-Etyylialkoholi: 22,75 N / m

-Hexan: 18,43 N / m

-Metanoli: 22,61 N / m.

Siksi vedellä on poikkeuksellinen pintajännitys, joka suosii kapillaarisuusilmiön kehittymistä, joka on välttämätöntä veden ja ravinteiden imeytymiselle kasveissa.

Kasveissa

Lähde: Pixabay

Kapillaarisuus on tärkeä mekanismi mehun nousulle kasvien ksyleemin kautta, mutta se ei yksinään riitä toimittamaan mehua puiden lehtiin.

Hengitys tai haihtuminen on tärkeä mekanismi mehun nousussa kasvien ksyleemin läpi. Lehdet menettävät vettä haihtumallaan, aiheuttaen vesimolekyylien määrän vähenemisen, mikä aiheuttaa kapillaareissa olevien vesimolekyylien vetovoiman (ksylem).

Vesimolekyylit eivät toimi toisistaan ​​riippumattomasti, vaan ne ovat vuorovaikutuksessa Van der Waalsin voimien kanssa, mikä saa ne nousemaan sitoutuneiksi kasvien kapillaarien läpi lehtiä kohti.

Näiden mekanismien lisäksi on huomattava, että kasvit imevät vettä maaperästä osmoosilla ja että juureen muodostuva positiivinen paine ohjaa veden nousun alkamisen kasvien kapillaarien läpi.

Viitteet

1. García Franco A. (2010). Pinnalliset ilmiöt. Palautettu: sc.ehu.es
2. Pinta-ilmiöt: pintajännitys ja kapillaarisuus.. Palautettu: ugr.es
3. Wikipedia. (2018). Kapillaarisesti. Palautettu osoitteesta: es.wikipedia.org
4. Risvhan T. (toinen) kapillaarisuus kasveissa. Palautettu osoitteesta: Academia.edu
5. Helmenstine, tohtori Anne Marie (22. joulukuuta 2018). Kapillaaritoimi: Määritelmä ja esimerkit. Palautettu osoitteesta: gondo.com
6. Ellen Ellis M. (2018). Veden kapillaarivaikutus: määritelmä ja esimerkit. Tutkimus. Palautettu osoitteesta study.com
7. ScienceStruck-henkilökunta. (16. heinäkuuta 2017). Esimerkkejä, jotka selittävät kapillaarihoidon käsitteen ja merkityksen. Palautettu osoitteesta: sciencestruck.com