CAPILARITATE: CARACTERISTICI ȘI EXEMPLU ÎN APĂ - CHIMIE - 2025

Capilaritatea este o proprietate a lichidelor care le permite să se deplaseze găuri tubulare sau suprafețe poroase chiar și împotriva gravitației. Pentru aceasta, trebuie să existe un echilibru și o coordonare a două forțe legate de moleculele lichidului: coeziunea și adeziunea; acestea două au o reflexie fizică numită tensiune superficială.

Lichidul trebuie să poată uda pereții interiori ai tubului sau porii materialului prin care se deplasează. Aceasta se produce atunci când forța de adeziune (peretele tubului lichid-capilar) este mai mare decât forța de coeziune intermoleculară. În consecință, moleculele lichidului creează interacțiuni mai puternice cu atomii materialului (sticlă, hârtie etc.) decât unul cu celălalt.

Sursa: MesserWoland prin Wikipedia

Exemplul clasic de capilaritate este ilustrat în compararea acestei proprietăți pentru două lichide foarte diferite: apa și mercurul.

În imaginea de mai sus se poate observa că apa se ridică în sus pe pereții tubului, ceea ce înseamnă că are forțe de aderență mai mari; în timp ce cu mercur apare opusul, deoarece forțele sale de coeziune, ale legăturii metalice, îl împiedică să ude sticla.

Din acest motiv, apa formează un menisc concave, iar mercurul un menisc convex (în formă de cupolă). De asemenea, trebuie menționat că cu cât raza tubului sau secțiunea prin care circulă lichidul este mai mică, cu atât este mai mare înălțimea sau distanța parcursă (comparați înălțimile coloanelor de apă pentru ambele tuburi).

Caracteristici de capilaritate

-Suprafata lichidului

Suprafața lichidului, să zicem apă, într-un capilar este concavă; adică meniscul este concave. Această situație apare deoarece rezultatul forțelor exercitate asupra moleculelor de apă de lângă peretele tubului este îndreptat către acesta.

În fiecare menisc există un unghi de contact (θ), care este unghiul pe care peretele tubului capilar îl formează cu o linie tangentă la suprafața lichidului în punctul de contact.

Forțele de adeziune și coeziune

Dacă forța de adeziune a lichidului la peretele capilar predomină peste forța de coeziune intermoleculară, atunci unghiul este θ <90º; lichidul udă peretele capilar și apa se ridică prin capilar, observând fenomenul cunoscut sub numele de capilaritate.

Când o picătură de apă este plasată pe suprafața unui pahar curat, apa se răspândește peste sticlă, deci θ = 0 și cos θ = 1.

Dacă forța de coeziune intermoleculară prevalează asupra forței de aderență a peretelui lichid-capilar, de exemplu în mercur, meniscul va fi convex, iar unghiul θ va avea o valoare> 90º; mercurul nu umezește peretele capilar și, prin urmare, își derulează peretele intern.

Atunci când o picătură de mercur este plasată pe suprafața unui pahar curat, picătura își păstrează forma și unghiul θ = 140º.

-Înălţime

Apa se ridică prin tubul capilar până la atingerea unei înălțimi (h), în care greutatea coloanei de apă compensează componenta verticală a forței de coeziune intermoleculară.

Pe măsură ce crește mai multă apă, va veni un punct în care gravitația își va opri ascensiunea, chiar dacă tensiunea de suprafață lucrează în favoarea ta.

Când se întâmplă acest lucru, moleculele nu pot continua să „urce” pereții interiori și toate forțele fizice se egalizează. Pe de o parte ai forțele care promovează creșterea apei, iar pe de altă parte propria ta greutate împingând-o în jos.

Legea lui Jurin

Aceasta poate fi scrisă matematic după cum urmează:

2 π rϒcosθ = ρgπr ² h

În cazul în care partea stângă a ecuației depinde de tensiunea de suprafață, a cărei amploare este legată și de coeziunea sau forțele intermoleculare; Cosθ reprezintă unghiul de contact și r raza găurii prin care se ridică lichidul.

Și în partea dreaptă a ecuației avem înălțimea h, forța gravitației g și densitatea lichidului; care ar fi apa.

Rezolvând apoi pentru h avem

h = (2ϒcosθ / ρgr)

Această formulare este cunoscută sub numele de Legea lui Jurin, care definește înălțimea atinsă de coloana de lichid, în tubul capilar, când greutatea coloanei de lichid este echilibrată cu forța ascensiunii prin acțiune capilară.

-Tensiune de suprafata

Apa este o moleculă dipolică, datorită electronegativității atomului de oxigen și a geometriei sale moleculare. Aceasta face ca porțiunea moleculei de apă în care oxigenul este localizat să se încarce negativ, în timp ce porțiunea moleculei de apă, care conține cei 2 atomi de hidrogen, se încarcă pozitiv.

Moleculele din lichid interacționează datorită acestui lucru prin legături multiple de hidrogen, ținându-le împreună. Cu toate acestea, moleculele de apă care se află în interfața apei: aer (suprafață), sunt supuse unei atracții nete de moleculele sinusului lichidului, care nu sunt compensate de atracția slabă cu moleculele de aer.

Prin urmare, moleculele de apă din interfață sunt supuse unei forțe atractive care tinde să îndepărteze moleculele de apă din interfață; cu alte cuvinte, legăturile de hidrogen formate cu moleculele din partea de jos trag pe cele care se află la suprafață. Astfel, tensiunea superficială încearcă să reducă suprafața interfaței apă: aer.

Relația cu h

Dacă ne uităm la ecuația legii a lui Jurin, vom afla că h este direct proporțională cu ϒ; prin urmare, cu cât tensiunea superficială a lichidului este mai mare, cu atât este mai mare înălțimea care poate fi ridicată de un capilar sau un por al unui material.

În acest fel, este de așteptat ca pentru două lichide, A și B, cu tensiuni de suprafață diferite, cel cu tensiune superficială mai mare să crească la o înălțime mai mare.

În acest punct se poate concluziona că o tensiune superficială ridicată este cea mai importantă caracteristică care definește proprietatea capilară a unui lichid.

-Radiusul capilarului sau porului prin care se ridică lichidul

Observarea Legii lui Jurin indică faptul că înălțimea pe care un lichid o atinge într-un capilar sau un por este invers proporțională cu raza aceleiași.

Prin urmare, cu cât raza este mai mică, cu atât este mai mare înălțimea pe care o atinge coloana de lichid prin acțiune capilară. Acest lucru poate fi observat direct în imaginea în care apa este comparată cu mercurul.

Într-un tub de sticlă cu o rază de 0,05 mm, coloana de apă pe capilaritate va atinge o înălțime de 30 cm. În tuburile capilare cu o rază de 1 um cu o presiune de aspirație de 1,5 x 10 ³ hPa (care este egală cu 1,5 atm) corespunde unui calcul al înălțimii coloanei de apă de la 14 la 15 m.

Acest lucru este foarte similar cu ceea ce se întâmplă cu acele paie care se aprind de mai multe ori. Saltul lichidului creează o diferență de presiune care face ca lichidul să crească până la gură.

Înălțimea maximă a coloanei atinsă de capilaritate este teoretică, deoarece raza capilarelor nu poate fi redusă peste o anumită limită.

Legea lui Poiseuille

Aceasta stabilește că debitul unui lichid real este dat de următoarea expresie:

Q = (πr ⁴ / 8ηl) ΔP

Unde Q este debitul lichidului, η este vâscozitatea acestuia, l este lungimea tubului, iar ΔP este diferența de presiune.

Pe măsură ce raza unui capilar scade, înălțimea coloanei de lichid atinsă de capilaritate ar trebui să crească la nesfârșit. Cu toate acestea, Poiseuille subliniază că, pe măsură ce raza scade, fluxul de fluid prin capilarul scade și el.

De asemenea, vâscozitatea, care este o măsură a rezistenței la curgerea unui lichid real, ar reduce și mai mult fluxul lichidului.

-Unghiul de contact (θ)

Cu cât este mai mare valoarea cosθ, cu atât este mai mare înălțimea coloanei de apă pe capilaritate, așa cum este indicat de Legea lui Jurin.

Dacă θ este mic și se apropie de zero (0), cosθ este = 1, deci valoarea h va fi maximă. Dimpotrivă, dacă θ este egal cu 90º, cosθ = 0 și valoarea lui h = 0.

Când valoarea lui θ este mai mare de 90º, ceea ce este cazul meniscului convex, lichidul nu crește prin capilaritate și tendința sa este să coboare (așa cum se întâmplă cu mercurul).

Capilaritatea apei

Apa are o valoare a tensiunii de suprafață de 72,75 N / m, relativ ridicată în comparație cu valorile pentru tensiunea de suprafață a următoarelor lichide:

-Acetonă: 22,75 N / m

-Alcool etilic: 22,75 N / m

-Exan: 18,43 N / m

-Metanol: 22,61 N / m.

Prin urmare, apa are o tensiune superficială excepțională, ceea ce favorizează dezvoltarea fenomenului capilar atât de necesar pentru absorbția apei și a nutrienților de către plante.

În plante

Sursa: Pixabay

Capilaritatea este un mecanism important pentru ascensiunea de seva prin xilemul plantelor, dar este insuficientă de la sine să livreze seva frunzelor copacilor.

Transpirația sau evaporarea este un mecanism important în ascensiunea de seva prin xilemul plantelor. Frunzele pierd apa prin evaporarea sa, generând o scădere a cantității de molecule de apă, ceea ce provoacă o atracție a moleculelor de apă prezente în capilare (xilem).

Moleculele de apă nu acționează independent una de cealaltă, ci interacționează mai degrabă prin forțele Van der Waals, ceea ce le determină să se înalțe legate între capilarele plantelor spre frunze.

Pe lângă aceste mecanisme, trebuie remarcat faptul că plantele absorb apa din sol prin osmoză și că o presiune pozitivă generată la rădăcină, determină pornirea creșterii apei prin capilarele plantei.

Referințe

1. García Franco A. (2010). Fenomenele superficiale. Recuperat din: sc.ehu.es
2. Fenomenele de suprafață: tensiunea superficială și capilaritatea. . Recuperat din: ugr.es
3. Wikipedia. (2018). Capilaritate. Recuperat de la: es.wikipedia.org
4. Risvhan T. (nd) Capilaritate la plante. Recuperat din: academia.edu
5. Helmenstine, Anne Marie, doctorat. (22 decembrie 2018). Acțiune capilară: definiție și exemple. Recuperat de la: thinkco.com
6. Ellen Ellis M. (2018). Acțiunea capilară a apei: definiție și exemple. Studiu. Recuperat din: studiu.com
7. Personalul ScienceStruck. (16 iulie 2017). Exemple care explică conceptul și semnificația acțiunii capilare. Recuperat de la: șticestruck.com