Wprowadzenie do chemii (Polski)
Cel nauczania
- Zdefiniuj napięcie powierzchniowe.
Kluczowe punkty
- Napięcie powierzchniowe jest podstawową właściwością powierzchni cieczy.
- Napięcie powierzchniowe jest odpowiedzialne za krzywiznę powierzchni powietrza i cieczy.
- Napięcie powierzchniowe jest odpowiedzialne za zdolność niektóre ciała stałe „unoszą się” na powierzchni cieczy.
- Napięcie powierzchniowe jest odpowiedzialne za kształt granicy między dwiema niemieszającymi się cieczami.
Terminy
- napięcie Siła przenoszona przez linę, sznurek, linę lub podobny przedmiot (używana z przyimkami na, w lub na, aby przekazać, że ta sama siła działa na przedmioty na obu końcach).
- energia Wielkość określająca zdolność układu do pracy. Ma wymiary masa × odległość² / czas², np. 1 kg m 2 / sec2 = 1 Joule (J).
- krzywizna Stopień zakrzywienia wygiętego kształtu.
Ciecze to płyny
Ciecze i ciała stałe mają wspólną cechę: wyraźną i dostrzegalną granicę faz, która nadaje próbce prosty, ale określony kształt. Ciecze i ciała stałe mają też coś wspólnego: większość ich jednostek molekularnych jest do pewnego stopnia w stosunkowo bliskim kontakcie. Jednak ciecze, podobnie jak gazy, są płynami, co oznacza, że ich jednostki molekularne mogą poruszać się mniej więcej niezależnie od siebie. Podczas gdy objętość gazu zależy całkowicie od ciśnienia, objętość cieczy jest w dużej mierze niezależna od ciśnienia atmosferycznego. Dlatego gazy są ściśliwe, a ciecze prawie nie.
Siły kohezyjne powodują napięcie powierzchniowe
Cząsteczki w próbce cieczy, które znajdują się w całości w objętości wewnętrznej, są otoczone przez inne cząsteczki i oddziałują z nimi w oparciu o przyciągające siły międzycząsteczkowe obecne w cząsteczkach tego typu. Jednak cząsteczki na styku z innym ośrodkiem (zwykle powietrzem) nie mają innych podobnych cząsteczek ze wszystkich stron (czyli na wierzchu), więc silniej przylegają do cząsteczek na powierzchni i bezpośrednio pod nimi. W rezultacie powstaje film powierzchniowy, który utrudnia przedmiotowi przebicie się przez powierzchnię niż poruszanie się po zanurzeniu w próbce cieczy. Dlatego siły kohezyjne powodują zjawisko napięcia powierzchniowego.
Równanie Younga-Laplacea
Napięcie powierzchniowe jest odpowiedzialne za kształt kropli cieczy. Chociaż łatwo się odkształcają, kropelki wody są zwykle wciągane w kulisty kształt przez siły kohezyjne warstwy powierzchniowej . Przy braku innych sił, w tym grawitacji, krople praktycznie wszystkich cieczy byłyby idealnie kuliste. Jeśli żadna siła nie działa normalnie (prostopadle) do naprężonej powierzchni, powierzchnia musi pozostać płaska. Ale jeśli ciśnienie po jednej stronie powierzchni różni się od ciśnienia po drugiej stronie, różnica ciśnień pomnożona przez pole powierzchni powoduje powstanie siły normalnej. Aby powierzchnia wynosiła dziesiątki siły jonów, aby wyeliminować tę siłę spowodowaną ciśnieniem, powierzchnia musi być zakrzywiona. Gdy wszystkie siły są zrównoważone, krzywizna powierzchni jest dobrą miarą napięcia powierzchniowego, które jest opisane równaniem Younga-Laplacea:
\ Delta P = \ gamma \ left (\ frac { 1} {R_ {1}} + \ frac {1} {R_ {2}} \ right)
To równanie opisuje kształt i krzywiznę bąbelków i kałuż wodnych, „śladów” wody owady chodzące i zjawisko unoszenia się igły na powierzchni wody. Mimo że igła jest gęstsza od wody, unosi się, ponieważ napięcie powierzchniowe to tendencja do kurczenia się powierzchni cieczy, która pozwala jej oprzeć się działaniu siły zewnętrznej. To właściwość jest spowodowana kohezją podobnych cząsteczek i jest odpowiedzialna za wiele zachowań cieczy.
Potencjalna energia cząsteczek w cieczy
Wyobrażając sobie kształt kropla cieczy lub krzywizna powierzchni cieczy, należy pamiętać, że cząsteczki na powierzchni mają inny poziom energii potencjalnej niż te we wnętrzu.Oznacza to, że istnieje różnica energii między wnętrzem a powierzchnią: przemieszczenie cząsteczki z wnętrza na powierzchnię wymaga energii. Ciecze (na przykład w postaci kropli) są kształtowane w sposób minimalizujący energię na powierzchni. Ponownie, ponieważ energia na powierzchni jest w dużej mierze spowodowana przez międzycząsteczkowe siły przyciągania między cząstkami na powierzchni i wewnątrz, napięcie powierzchniowe jest wskaźnikiem zakresu tych sił. Różne ciecze i roztwory mają różne napięcia powierzchniowe.
Napięcia powierzchniowe kilku popularnych cieczy i roztworów są następujące w dynach / cm (zwróć uwagę na szczególnie wysokie napięcie powierzchniowe wody):
- woda, H (OH): 72,7
- benzen, C6H6: 40,0
- gliceryna, C3H2 (OH) 3: 63,0
- roztwór sacharozy (85% w wodzie): 76,4
Jednostki napięcia powierzchniowego
Napięcie powierzchniowe jest wyrażane w jednostkach siły na jednostkę długości lub energii na jednostkę powierzchni (na przykład , N / m lub J / m2). Oba są równoważne, ale odnosząc się do energii na jednostkę powierzchni, ludzie używają terminu „energia powierzchniowa”, który jest terminem bardziej ogólnym w tym sensie, że odnosi się zarówno do ciał stałych, jak i cieczy.
