TENSIUNEA SUPERFICIALĂ: CAUZE, EXEMPLE, APLICAȚII ȘI EXPERIMENTE - CHIMIE - 2025

Tensiunea superficială este o proprietate fizică având toate fluidele și se caracterizează prin rezistență la suprafețele lor se opune oricărei creșteri în zona sa. Acest lucru este același cu a spune că suprafața menționată va căuta cea mai mică zonă posibilă. Acest fenomen împleteste mai multe concepte chimice, cum ar fi coeziunea, adeziunea și forțele intermoleculare.

Tensiunea superficială este responsabilă pentru formarea curburilor de suprafață ale lichidelor în vasele tubulare (cilindri gradat, coloane, eprubete etc.). Acestea pot fi concave (curbate în formă de vale) sau convexe (curbate în formă de cupolă). Multe fenomene fizice pot fi explicate luând în considerare modificările prin care suferă tensiunea superficială a unui lichid.

Formele sferice pe care picăturile de apă le iau pe frunze sunt datorate în parte tensiunii lor de suprafață. Sursa: fotografie realizată de utilizatorul flickr tanakawho

Unul dintre aceste fenomene este tendința moleculelor lichide de a aglomera sub formă de picături, atunci când acestea se sprijină pe suprafețe care le resping. De exemplu, picăturile de apă pe care le vedem deasupra frunzelor nu o pot uda datorită suprafeței sale ceroase, hidrofobe.

Cu toate acestea, vine un moment în care gravitația își joacă rolul și căderea se varsă ca o coloană de apă. Fenomen similar are loc în picăturile sferice de mercur atunci când sunt vărsate dintr-un termometru.

Pe de altă parte, tensiunea de suprafață a apei este cea mai importantă dintre toate, deoarece contribuie și organizează starea corpurilor microscopice în medii apoase, cum ar fi celulele și membranele lor lipide. În plus, această tensiune este responsabilă de faptul că apa se evaporă încet, iar unele corpuri mai dense decât pot pluti pe suprafața sa.

Cauzele tensiunii superficiale

Explicația pentru fenomenul tensiunii superficiale este la nivel molecular. Moleculele unui lichid interacționează între ele, astfel încât să fie coezive în mișcările lor neregulate. O moleculă interacționează cu vecinii de lângă ea și cu cei de deasupra sau sub ea.

Totuși, acest lucru nu se întâmplă la fel cu moleculele de pe suprafața lichidului, care sunt în contact cu aerul (sau cu orice alt gaz) sau cu un solid. Moleculele de pe suprafață nu pot coeziona cu cele ale mediului extern.

Drept urmare, ele nu experimentează forțe care să le tragă în sus; numai în jos, de la vecinii săi în mediul lichid. Pentru a contracara acest dezechilibru, moleculele de pe suprafață sunt „stoarse”, deoarece numai atunci pot depăși forța care îi împinge în jos.

Apoi, se creează o suprafață în care moleculele sunt într-un aranjament mai întins. Dacă o particulă dorește să pătrundă în lichid, aceasta trebuie să treacă mai întâi de această barieră moleculară proporțional cu tensiunea de suprafață a lichidului menționat. Același lucru se aplică unei particule care dorește să scape în mediul extern din adâncimile lichidului.

Prin urmare, suprafața sa se comportă ca și cum ar fi un film elastic care prezintă rezistență la deformare.

Unități

Tensiunea superficială este de obicei reprezentată de simbolul γ, și este exprimată în unități de N / m, lungimea timpului de forță. Cu toate acestea, de cele mai multe ori unitatea sa este dyn / cm. Unul poate fi convertit în celălalt prin următorul factor de conversie:

1 dyn / cm = 0,001 N / m

Tensiunea de suprafață a apei

Apa este cea mai rară și cea mai uimitoare dintre toate lichidele. Tensiunea sa la suprafață, precum și câteva dintre proprietățile sale sunt neobișnuit de mari: 72 dyn / cm la temperatura camerei. Această valoare poate crește până la 75,64 dyn / cm, la o temperatură de 0 ºC; sau scade la 58,85 ºC, la o temperatură de 100 ºC.

Aceste observații au sens atunci când considerați că bariera moleculară se întărește și mai mult la temperaturi apropiate de îngheț, sau „slăbește” un pic mai mult în jurul punctului de fierbere.

Apa are o tensiune de suprafață ridicată datorită legăturilor sale de hidrogen. Dacă acestea în sine sunt vizibile în interiorul lichidului, cu atât mai mult la suprafață. Moleculele de apă sunt puternic îmbinate, formând interacțiuni dipol-dipol de tipul H ₂ O-HOH.

Moleculele de apă sunt atrase unele de altele; sunt legate prin legături de hidrogen

Aceasta este eficiența interacțiunilor lor încât bariera moleculară apoasă poate susține chiar și unele corpuri înainte de a se scufunda. În secțiunile de aplicații și experimente vom reveni în acest punct.

Alte exemple

Toate lichidele prezintă tensiuni de suprafață, fie într-un grad mai mic sau mai mare decât apa, fie că sunt substanțe sau soluții pure. Cât de puternice și tensionate sunt barierele moleculare ale suprafețelor sale, va depinde direct de interacțiunile lor intermoleculare, precum și de factorii structurali și energetici.

Gazele condensate

De exemplu, moleculele de gaze în stare lichidă interacționează între ele doar prin forțele dispersive din Londra. Acest lucru este în concordanță cu faptul că tensiunile lor de suprafață au valori mici:

-Heliu lichid, 0,37 dyn / cm la -273 ºC

-Nitrogen lichid, 8,85 dyn / cm la -196 ºC

-Oxigen lichid, 13,2 dyn / cm la -182 ºC

Tensiunea de suprafață a oxigenului lichid este mai mare decât cea a heliului, deoarece moleculele sale au o masă mai mare.

Lichide apolare

Se așteaptă ca lichidele non-polare și organice să aibă tensiuni de suprafață mai mari decât aceste gaze condensate. Printre unii dintre aceștia avem următoarele:

-Dietilether, 17 dyn / cm la 20 ºC

- n-Hexan, 18,40 dyn / cm la 20 ° C

- n-Octan, 21,80 dyn / cm la 20 ° C

-Toluol, 27,73 dyn / cm la 25 ºC

O tendință similară este observată pentru aceste lichide: tensiunea superficială crește pe măsură ce masele lor moleculare cresc. Cu toate acestea, n -octanul ar trebui, prin urmare, să aibă cea mai mare tensiune de suprafață și nu toluen. Aici intră în joc structurile moleculare și geometriile.

Moleculele de toluen, plane și în formă de inel, au interacțiuni mai eficiente decât n -octanul. Prin urmare, suprafața toluenului este „mai strânsă” decât suprafața n -octanului.

Lichide polare

Întrucât există interacțiuni dipol-dipol mai puternice între moleculele unui lichid polar, tendința lor este să prezinte tensiuni de suprafață mai mari. Dar acest lucru nu este întotdeauna cazul. Printre câteva exemple avem:

-Acid acetic, 27,60 dyn / cm la 20 ºC

-Acetonă, 23,70 dyn / cm la 20 ºC

-Blood, 55,89 dyn / cm la 22 ºC

-Etanol, 22,27 dyn / cm la 20 ºC

-Glicerol, 63 dyn / cm la 20 ºC

-Clorură de sodiu topită, 163 dyn / cm la 650 ºC

- Soluție de NaCl 6 M, 82,55 dyn / cm la 20 ºC

Clorura de sodiu topită este de așteptat să aibă o tensiune superficială enormă - este un lichid vâscos, ionic.

Pe de altă parte, mercurul este unul dintre lichidele cu cea mai mare tensiune la suprafață: 487 dyn / cm. În ea, suprafața sa este compusă din atomi de mercur puternic coezivi, mult mai mult decât pot fi moleculele de apă.

Aplicații

Unele insecte folosesc tensiunea de suprafață a apei pentru a putea merge pe ea. Sursa: Pixabay.

Tensiunea superficială singură nu are aplicații. Totuși, acest lucru nu înseamnă că nu este implicat în diverse fenomene zilnice, care, dacă nu ar exista, nu s-ar produce.

De exemplu, țânțarii și alte insecte sunt capabili să meargă prin apă. Acest lucru se datorează faptului că picioarele lor hidrofobe resping apa, în timp ce masa lor scăzută le permite să rămână la suprafață pe bariera moleculară, fără a cădea în fundul râului, lacului, iazului etc.

Tensiunea superficială joacă, de asemenea, un rol în umectabilitatea lichidelor. Cu cât tensiunea de suprafață este mai mare, cu atât tendința sa de a se scurge prin pori sau fisuri dintr-un material. În plus, acestea nu sunt lichide foarte utile pentru curățarea suprafețelor.

detergenţi

Este aici unde detergenții acționează, reducând tensiunea de suprafață a apei și ajutând-o să acopere suprafețe mai mari; îmbunătățind în același timp acțiunea de degresare. Prin reducerea tensiunii sale de suprafață, face loc moleculelor de aer, cu care formează bule.

emulsiile

Pe de altă parte, tensiunile mai mici sunt legate de stabilizarea emulsiilor, care sunt foarte importante în formularea unei game diferite de produse.

Experimente simple

Clemă metalică plutind din cauza tensiunii de suprafață a apei. Sursa: Alvesgaspar

În cele din urmă, vor fi citate câteva experimente care pot fi realizate în orice spațiu casnic.

Experiment clip

O clemă metalică este plasată pe suprafața sa într-un pahar cu apă rece. După cum se vede în imaginea de mai sus, clipul va rămâne la suprafață datorită tensiunii de suprafață a apei. Însă, dacă se adaugă puțină porțială de lavă la sticlă, tensiunea de suprafață va scădea dramatic și agrafa de hârtie se va scufunda brusc.

Barcă de hârtie

Dacă la suprafață avem o barcă de hârtie sau o paletă de lemn și dacă mașina de spălat vase sau detergentul este adăugat pe capul unui tampon, atunci va apărea un fenomen interesant: va exista o repulsie care le va propaga spre marginile paharului. Barca de hârtie și paleta din lemn se vor îndepărta de tamponul cu detergent.

Un alt experiment similar și mai grafic constă în repetarea aceleiași operații, dar într-o găleată de apă presărată cu piper negru. Particulele de ardei negru se vor îndepărta, iar suprafața se va schimba de la piper acoperit la limpede cristal, cu piperul pe margini.

Referințe

1. Whitten, Davis, Peck și Stanley. (2008). Chimie (Ediția a VIII-a). CENGAGE Învățare.
2. Wikipedia. (2020). Tensiune de suprafata. Recuperat de la: en.wikipedia.org
3. USGS. (Sf). Tensiunea suprafeței și a apei. Recuperat din: usgs.gov
4. Jones, Andrew Zimmerman. (12 februarie 2020). Tensiunea suprafeței - definiție și experimente. Recuperat de la: thinkco.com
5. Susanna Laurén. (15 noiembrie 2017). De ce este importantă tensiunea superficială? Biolin Științific. Recuperat de pe: blog.biolinscientific.com
6. Rookie Știința parentală. (07 noiembrie 2019). Ce este tensiunea de suprafață - experiment științific rece. Recuperat de la: rookieparenting.com
7. Jessica Munk. (2020). Experimente de tensiune superficială. Studiu. Recuperat din: studiu.com
8. Copilul ar trebui să vadă asta. (2020). Șapte experimente de tensiune superficială - Physics Girl. Recuperat de la: thekidshouldseethis.com