แรงตึงผิว: สาเหตุตัวอย่างการใช้งานและการทดลอง - เคมี

แรงตึงผิวเป็นคุณสมบัติทางกายภาพที่มีของเหลวทั้งหมดและโดดเด่นด้วยความต้านทานต่อพื้นผิวของพวกเขาไม่เห็นด้วยกับการเพิ่มขึ้นในพื้นที่ของตน นี่ก็เหมือนกับการบอกว่าพื้นผิวดังกล่าวจะแสวงหาพื้นที่ที่เล็กที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ปรากฏการณ์นี้เชื่อมโยงแนวคิดทางเคมีหลายอย่างเช่นการทำงานร่วมกันการยึดติดและแรงระหว่างโมเลกุล

แรงตึงผิวมีหน้าที่ก่อตัวของความโค้งผิวของของเหลวในท่อ (กระบอกสูบที่สำเร็จการศึกษาคอลัมน์หลอดทดลอง ฯลฯ ) สิ่งเหล่านี้สามารถเว้า (โค้งเป็นรูปหุบเขา) หรือนูน (โค้งเป็นรูปโดม) ปรากฏการณ์ทางกายภาพหลายอย่างสามารถอธิบายได้โดยพิจารณาจากการเปลี่ยนแปลงที่ความตึงผิวของของเหลวได้รับ

รูปทรงกลมที่หยดน้ำเกาะบนใบไม้นั้นเนื่องมาจากแรงตึงผิวของมัน ที่มา: ภาพโดยผู้ใช้ flickr tanakawho

หนึ่งในปรากฏการณ์เหล่านี้คือแนวโน้มที่โมเลกุลของของเหลวจะรวมตัวกันเป็นหยดเมื่อพวกมันวางอยู่บนพื้นผิวที่ขับไล่พวกมัน ตัวอย่างเช่นหยดน้ำที่เราเห็นด้านบนของใบไม้ไม่สามารถทำให้เปียกได้เนื่องจากมีลักษณะเป็นข้าวเหนียวและไม่ชอบน้ำ

อย่างไรก็ตามมีช่วงเวลาหนึ่งที่แรงโน้มถ่วงมีบทบาทและหยดน้ำก็ไหลทะลักออกมาเหมือนคอลัมน์น้ำ ปรากฏการณ์ที่คล้ายกันนี้เกิดขึ้นในหยดปรอททรงกลมเมื่อหกจากเทอร์โมมิเตอร์

ในทางกลับกันแรงตึงผิวของน้ำเป็นสิ่งสำคัญที่สุดเนื่องจากมีส่วนช่วยและจัดระเบียบสถานะของร่างกายด้วยกล้องจุลทรรศน์ในสื่อที่เป็นน้ำเช่นเซลล์และเยื่อหุ้มไขมัน นอกจากนี้ความตึงเครียดนี้มีส่วนรับผิดชอบต่อการที่น้ำระเหยอย่างช้าๆและบางส่วนก็หนาแน่นเกินกว่าที่มันจะลอยบนผิวน้ำได้

สาเหตุของแรงตึงผิว

คำอธิบายสำหรับปรากฏการณ์ของแรงตึงผิวอยู่ในระดับโมเลกุล โมเลกุลของของเหลวมีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกันในลักษณะที่เหนียวแน่นในการเคลื่อนไหวที่ผิดปกติ โมเลกุลมีปฏิสัมพันธ์กับเพื่อนบ้านที่อยู่ข้างๆและกับโมเลกุลที่อยู่ด้านบนหรือด้านล่าง

อย่างไรก็ตามสิ่งนี้จะไม่เกิดขึ้นกับโมเลกุลบนพื้นผิวของของเหลวซึ่งสัมผัสกับอากาศ (หรือก๊าซอื่น ๆ ) หรือกับของแข็ง โมเลกุลบนพื้นผิวไม่สามารถเกาะกับสภาพแวดล้อมภายนอกได้

เป็นผลให้พวกเขาไม่ประสบกับแรงใด ๆ ที่ดึงพวกเขาขึ้นไป ลงเท่านั้นจากเพื่อนบ้านในสื่อของเหลว เพื่อต่อต้านความไม่สมดุลนี้โมเลกุลบนพื้นผิว "บีบ" เพราะด้วยวิธีนี้เท่านั้นที่สามารถเอาชนะแรงที่กดลงไปได้

จากนั้นพื้นผิวจะถูกสร้างขึ้นโดยที่โมเลกุลอยู่ในการจัดเรียงที่ตึงขึ้น หากอนุภาคต้องการเจาะของเหลวก่อนอื่นจะต้องข้ามอุปสรรคของโมเลกุลนี้ตามสัดส่วนกับแรงตึงผิวของของเหลวดังกล่าว เช่นเดียวกับอนุภาคที่ต้องการหลบหนีไปยังสภาพแวดล้อมภายนอกจากส่วนลึกของของเหลว

ดังนั้นพื้นผิวของมันจึงทำงานราวกับว่าเป็นฟิล์มยืดหยุ่นที่แสดงความต้านทานต่อการเสียรูป

หน่วย

โดยปกติแรงตึงผิวจะแสดงด้วยสัญลักษณ์ expressed และแสดงเป็นหน่วย N / m ความยาวคูณของแรง อย่างไรก็ตามเวลาส่วนใหญ่หน่วยคือ dyn / cm หนึ่งสามารถแปลงเป็นอีกตัวหนึ่งได้โดยปัจจัยการแปลงต่อไปนี้:

1 dyn / cm = 0.001 N / m

แรงตึงผิวของน้ำ

น้ำเป็นของเหลวที่หายากและน่าทึ่งที่สุดในบรรดาของเหลวทั้งหมด แรงตึงผิวและคุณสมบัติหลายประการสูงผิดปกติ: 72 dyn / cm ที่อุณหภูมิห้อง ค่านี้สามารถเพิ่มได้ถึง 75.64 dyn / cm ที่อุณหภูมิ 0 ºC; หรือลดลงถึง 58.85 ºCที่อุณหภูมิ 100 ºC

ข้อสังเกตเหล่านี้มีเหตุผลเมื่อคุณพิจารณาว่ากำแพงโมเลกุลจะรัดตัวมากขึ้นที่อุณหภูมิใกล้เคียงกับจุดเยือกแข็งหรือ "คลาย" อีกเล็กน้อยเมื่อถึงจุดเดือด

น้ำมีแรงตึงผิวสูงเนื่องจากพันธะไฮโดรเจน หากสังเกตเห็นสิ่งเหล่านี้ในตัวเองภายในของเหลวก็จะยิ่งอยู่บนพื้นผิว โมเลกุลของน้ำถูกพันกันอย่างรุนแรงทำให้เกิดปฏิกิริยาไดโพล - ไดโพลของชนิด H ₂ O-HOH

โมเลกุลของน้ำถูกดึงดูดเข้าหากัน เชื่อมโยงกันด้วยพันธะไฮโดรเจน

นั่นคือประสิทธิภาพของปฏิสัมพันธ์ของพวกมันที่กั้นโมเลกุลในน้ำสามารถรองรับร่างบางส่วนก่อนที่มันจะจมลง ในส่วนการใช้งานและการทดลองเราจะกลับไปที่จุดนี้

ตัวอย่างอื่น ๆ

ของเหลวทั้งหมดมีความตึงผิวไม่ว่าจะในระดับที่น้อยกว่าหรือมากกว่าน้ำหรือไม่ว่าจะเป็นสารบริสุทธิ์หรือสารละลาย ความแข็งแกร่งและความตึงเครียดของอุปสรรคระดับโมเลกุลของพื้นผิวจะขึ้นอยู่โดยตรงกับปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลของพวกมันตลอดจนปัจจัยเชิงโครงสร้างและพลัง

ก๊าซควบแน่น

ตัวอย่างเช่นโมเลกุลของก๊าซในสถานะของเหลวจะทำปฏิกิริยากันผ่านกองกำลังกระจายตัวของลอนดอนเท่านั้น สิ่งนี้สอดคล้องกับความจริงที่ว่าความตึงผิวของพวกมันมีค่าต่ำ:

- ฮีเลียมเหลว 0.37 dyn / cm ที่ -273 ºC

- ไนโตรเจนเหลว 8.85 dyn / cm ที่ -196 ºC

- ออกซิเจนเหลว 13.2 dyn / cm ที่ -182 ºC

แรงตึงผิวของออกซิเจนเหลวสูงกว่าฮีเลียมเนื่องจากโมเลกุลของมันมีมวลมากกว่า

ของเหลว Apolar

ของเหลวที่ไม่มีขั้วและสารอินทรีย์คาดว่าจะมีความตึงผิวสูงกว่าก๊าซที่ควบแน่นเหล่านี้ เรามีสิ่งต่อไปนี้:

-Dietilether, 17 dyn / cm ที่ 20 ºC

- n-Hexane, 18.40 dyn / cm ที่ 20 ° C

- n -Octane, 21.80 dyn / cm ที่ 20 ° C

- โทลูอีน 27.73 dyn / cm ที่ 25 ºC

มีแนวโน้มที่คล้ายกันสำหรับของเหลวเหล่านี้: ความตึงผิวจะเพิ่มขึ้นเมื่อมวลโมเลกุลเพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตาม n -octane ควรมีความตึงผิวสูงสุดไม่ใช่โทลูอีน โครงสร้างโมเลกุลและรูปทรงเรขาคณิตเข้ามามีบทบาท

โมเลกุลของโทลูอีนรูปทรงแบนและวงแหวนมีปฏิสัมพันธ์ที่มีประสิทธิภาพมากกว่า n -octane ดังนั้นพื้นผิวของโทลูอีนจึง "แน่นกว่า" กว่าพื้นผิวของ n -octane

ของเหลวที่มีขั้ว

เนื่องจากมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลของไดโพล - ไดโพลที่รุนแรงขึ้นจึงมีแนวโน้มที่จะแสดงความตึงผิวที่สูงขึ้น แต่ก็ไม่ได้เป็นเช่นนั้นเสมอไป ในตัวอย่างบางส่วนเรามี:

- กรดอะซิติก 27.60 dyn / cm ที่ 20 ºC

-Acetone 23.70 dyn / cm ที่ 20 ºC

- เลือด 55.89 dyn / cm ที่ 22 ºC

- เอทานอล 22.27 dyn / cm ที่ 20 ºC

- กลีเซอรอล 63 dyn / cm ที่ 20 ºC

- โซเดียมคลอไรด์ผสม 163 dyn / cm ที่ 650 ºC

- สารละลาย 6 M NaCl 82.55 dyn / cm ที่ 20 ºC

โซเดียมคลอไรด์หลอมเหลวคาดว่าจะมีแรงตึงผิวมหาศาลเป็นของเหลวไอออนิกที่มีความหนืด

ในทางกลับกันปรอทเป็นของเหลวชนิดหนึ่งที่มีแรงตึงผิวสูงสุด: 487 dyn / cm ในนั้นพื้นผิวของมันประกอบด้วยอะตอมของปรอทที่เหนียวแน่นมากเกินกว่าที่โมเลกุลของน้ำจะเป็นได้

การประยุกต์ใช้งาน

แมลงบางชนิดใช้แรงตึงผิวของน้ำเพื่อให้สามารถเดินบนนั้นได้ ที่มา: Pixabay

แรงตึงผิวเพียงอย่างเดียวไม่มีการใช้งาน อย่างไรก็ตามนี่ไม่ได้หมายความว่าไม่มีส่วนเกี่ยวข้องกับปรากฏการณ์รายวันต่างๆซึ่งหากไม่มีอยู่จริงก็จะไม่เกิดขึ้น

ตัวอย่างเช่นยุงและแมลงอื่น ๆ สามารถเดินผ่านน้ำได้ เนื่องจากขาที่ไม่ชอบน้ำของพวกมันขับไล่น้ำในขณะที่มวลน้อยทำให้พวกมันลอยอยู่บนสิ่งกีดขวางของโมเลกุลได้โดยไม่ต้องตกลงไปที่ก้นแม่น้ำทะเลสาบสระน้ำและอื่น ๆ

แรงตึงผิวยังมีบทบาทต่อความสามารถในการเปียกของของเหลว แรงตึงผิวที่สูงขึ้นแนวโน้มที่จะรั่วไหลผ่านรูพรุนหรือรอยแตกในวัสดุก็จะน้อยลง นอกจากนี้ของเหลวเหล่านี้ยังไม่มีประโยชน์สำหรับการทำความสะอาดพื้นผิว

ผงซักฟอก

ที่นี่เป็นที่ที่ผงซักฟอกทำหน้าที่ลดแรงตึงผิวของน้ำและช่วยปกปิดพื้นผิวที่ใหญ่ขึ้น ในขณะที่ปรับปรุงการล้างไขมัน การลดแรงตึงผิวทำให้มีที่ว่างสำหรับโมเลกุลของอากาศซึ่งจะก่อตัวเป็นฟองอากาศ

อิมัลชั่น

ในทางกลับกันความตึงเครียดที่สูงขึ้นที่ลดลงจะเชื่อมโยงกับความคงตัวของอิมัลชันซึ่งมีความสำคัญมากในการกำหนดผลิตภัณฑ์หลากหลายประเภท

การทดลองง่ายๆ

คลิปโลหะลอยเนื่องจากแรงตึงผิวของน้ำ ที่มา: Alvesgaspar

ในที่สุดการทดลองบางอย่างที่สามารถทำได้ในพื้นที่ภายในประเทศจะถูกอ้างถึง

คลิปทดลอง

คลิปโลหะวางอยู่บนพื้นผิวในแก้วที่มีน้ำเย็น ดังที่เห็นในภาพด้านบนคลิปจะยังคงลอยอยู่เนื่องจากแรงตึงผิวของน้ำ แต่ถ้าเติมลาวาไชน่าลงในแก้วเล็กน้อยแรงตึงผิวจะลดลงอย่างมากและคลิปหนีบกระดาษจะจมลงทันที

เรือกระดาษ

หากบนพื้นผิวเรามีเรือกระดาษหรือพาเลทไม้และหากมีการเพิ่มเครื่องล้างจานหรือผงซักฟอกลงในหัวของไม้กวาดก็จะเกิดปรากฏการณ์ที่น่าสนใจ: จะมีการขับไล่ที่จะแพร่กระจายไปทางขอบแก้ว เรือกระดาษและพาเลทไม้จะเคลื่อนออกจากไม้กวาดที่เปื้อนผงซักฟอก

การทดลองเชิงกราฟิกอีกอย่างที่คล้ายกันและมากกว่านั้นประกอบด้วยการทำซ้ำการดำเนินการเดียวกัน แต่ในถังน้ำที่โรยด้วยพริกไทยดำ อนุภาคพริกไทยดำจะลอยออกไปและพื้นผิวจะเปลี่ยนจากพริกไทยที่ปกคลุมไปด้วยผลึกใสโดยมีพริกไทยอยู่ที่ขอบ

อ้างอิง

Whitten, Davis, Peck & Stanley (2008) เคมี (ฉบับที่ 8) CENGAGE การเรียนรู้
วิกิพีเดีย (2020) แรงตึงผิว. สืบค้นจาก: en.wikipedia.org
USGS. (เอสเอฟ) แรงตึงผิวและน้ำ กู้คืนจาก: usgs.gov
โจนส์แอนดรูว์ซิมเมอร์แมน (12 กุมภาพันธ์ 2563). แรงตึงผิว - คำจำกัดความและการทดลอง ดึงมาจาก: thoughtco.com
Susanna Laurén (15 พฤศจิกายน 2560). ทำไมแรงตึงผิวจึงสำคัญ? Biolin Scientific สืบค้นจาก: blog.biolinscientific.com
วิทยาศาสตร์การเลี้ยงดูมือใหม่. (07 พฤศจิกายน 2562). แรงตึงผิวคืออะไร - การทดลองวิทยาศาสตร์สุดเจ๋ง ดึงมาจาก: rookieparenting.com
เจสสิก้า Munk (2020) การทดสอบแรงตึงผิว ศึกษา. ดึงมาจาก: study.com
เด็กควรเห็นสิ่งนี้ (2020) การทดลองแรงตึงผิวเจ็ดครั้ง - สาวฟิสิกส์ สืบค้นจาก: thekidshouldseethis.com

แรงตึงผิว: สาเหตุตัวอย่างการใช้งานและการทดลอง - เคมี - 2025