קיבולת: מאפיינים ודוגמא במים - כִּימִיָה - 2025

קַפִּילָרִיוּת הוא נכס של נוזלים אשר מאפשר להם לנוע חורים צינורי או משטחים נקבוביים אפילו כנגד כוח הכבידה. לשם כך, צריך להיות איזון וקואורדינציה של שני כוחות הקשורים למולקולות הנוזל: לכידות והידבקות; לשניים אלה השתקפות פיזית הנקראת מתח פני השטח.

הנוזל צריך להיות מסוגל להרטיב את הקירות הפנימיים של הצינור או את נקבוביות החומר דרכו הוא עובר. זה מתרחש כאשר כוח ההדבקה (קיר הצינור הנוזלי-נימי) גדול מכוח הלכידות הבין-מולקולרית. כתוצאה מכך, מולקולות הנוזל יוצרות אינטראקציות חזקות יותר עם אטומי החומר (זכוכית, נייר וכו ') מאשר זו עם זו.

מקור: MesserWoland דרך Wikipedia

הדוגמה הקלאסית לנפילות מודגמת בהשוואה של מאפיין זה לשני נוזלים שונים מאוד: מים וכספית.

בתמונה למעלה ניתן לראות כי המים אכן מרימים את דפנות הצינור, מה שאומר שיש להם כוחות הדבקה גדולים יותר; ואילו בכספית ההפך קורה, מכיוון שכוחות הלכידות שלו, של הקשר מתכתי, מונעים ממנו להרטיב את הזכוכית.

מסיבה זו, מים יוצרים מניסקוס קעור, וכספית מניסקוס קמור (בצורת כיפה). יש לציין כי ככל שרדיוס הצינור קטן יותר או הקטע דרכו נוזל הנוזל, כך גובהו או המרחק הנעים יותר (השווה את גובה עמודי המים לשני הצינורות).

מאפייני הקיבולת

משטח הנוזל

פני הנוזל, לומר מים, בקפילריה הם קעורים; כלומר המניסקוס קעור. מצב זה מתרחש מכיוון שהתוצאה של הכוחות המופעלים על מולקולות המים הסמוכות לדופן הצינור מכוונת אליו.

בכל מניסקוס יש זווית מגע (θ), והיא הזווית שקיר צינור הנימים יוצר עם קו משיק אל פני הנוזל בנקודת המגע.

כוחות הדבקה והלכידות

אם כוח ההדבקה של הנוזל לדופן הנימי גובר על כוח הלכידות הבין-מולקולרי, הזווית היא θ <90º; הנוזל מרטיב את דופן הנימים והמים עולים דרך הנימים תוך התבוננות בתופעה המכונה קפילילות.

כשמונחת טיפת מים על פני כוס זכוכית נקייה, המים מתפשטים על הזכוכית, כך θ = 0 ו- cos θ = 1.

אם כוח הלכידות הבין-מולקולרי גובר על כוח ההדבקה של הקיר הנוזל-נימי, למשל בכספית, המניסקוס יהיה קמור והזווית θ תהיה ערך> 90 מעלות; כספית אינה מרטיבה את דופן הנימים ולכן זורמת לאורך הקיר הפנימי שלה.

כאשר מונחת טיפת כספית על פני זכוכית נקיה, הטיפה שומרת על צורתה ועל הזווית θ = 140 מעלות.

-גוֹבַה

המים עולים דרך צינור הנימים עד שהם מגיעים לגובה (ח), בו משקל עמוד המים מפצה את המרכיב האנכי של כוח הלכידות הבין-מולקולרי.

ככל שיותר מים יעלו, תגיע נקודה בה כוח המשיכה יפסיק את עלייתם, אפילו כאשר מתח פני השטח פועל לטובתך.

כאשר זה קורה, המולקולות אינן יכולות להמשיך "לטפס" על הדפנות הפנימיות, וכל הכוחות הפיזיים משתווים. מצד אחד יש לך את הכוחות המקדמים את עליית המים, ומצד שני המשקל שלך מוריד אותם כלפי מטה.

חוק יורין

ניתן לכתוב זאת באופן מתמטי באופן הבא:

2 π rϒcosθ = ρgπr ² שעות

כאשר הצד השמאלי של המשוואה תלוי במתח השטח, שעוצמתו קשורה גם לכוחות או לכידות או בין-מולקולריות; Cosθ מייצג את זווית המגע, ואת רדיוס החור דרכו הנוזל עולה.

ובצד ימין של המשוואה יש לנו את הגובה h, את כוח הכובד g, ואת הצפיפות של הנוזל; שיהיו המים.

לפתור אז בשביל שיש לנו

h = (2ϒcosθ / ρgr)

ניסוח זה מכונה חוק החוק של ג'ורין, המגדיר את הגובה אליו מגיע עמוד הנוזל, בצינור הנימי, כאשר משקל עמוד הנוזל מאוזן עם כוח ההתעלות על ידי פעולה נימית.

-מתח פנים

מים הם מולקולת דיפול, בגלל האלקטרוניטיביות של אטום החמצן והגיאומטריה המולקולרית שלו. זה גורם לחלק של מולקולת המים בה ממוקם החמצן להיות טעון שלילי, ואילו החלק של מולקולת המים, המכילה את 2 אטומי המימן, הופך להיות טעון חיובי.

המולקולות בנוזל עוברות אינטראקציה בזכות זה באמצעות קשרי מימן מרובים, המחזיקות אותן יחד. עם זאת, מולקולות המים שנמצאות במים: ממשק אוויר (פני השטח), נתונות למשיכה נטו על ידי מולקולות הסינוס של הנוזל, ולא מפוצה על ידי המשיכה החלשה עם מולקולות האוויר.

לפיכך, מולקולות המים שבממשק נתונים לכוח אטרקטיבי הנוטה לסלק מולקולות מים מהממשק; במילים אחרות, קשרי המימן הנוצרים עם המולקולות בתחתית גוררים את אלה שנמצאים על פני השטח. לפיכך, מתח פני השטח מבקש לצמצם את פני המים: ממשק אוויר.

מערכת יחסים עם ח

אם נסתכל על משוואת החוק של ג'ורין, נגלה כי h הוא ביחס ישיר ל- ϒ; לפיכך, ככל שמתח השטח של הנוזל גבוה יותר, כך הגובה שניתן להעלות על ידי נימי או נקבוביות של חומר גדול יותר.

באופן זה צפוי כי עבור שני נוזלים, A ו- B, עם מתחי שטח שונים, זה עם מתח פנים גדול יותר יעלה לגובה רב יותר.

ניתן להסיק ביחס לנקודה זו כי מתח פנים גבוה הוא המאפיין החשוב ביותר המגדיר את תכונת הנימים של נוזל.

-ראדיוס של הנימי או הנקבובית דרכם הנוזל עולה

התבוננות בחוק ג'ורין מצביעה על כך שהגובה אליו נוזל מגיע בנימי או בנקבובית הוא ביחס הפוך לרדיוס של אותו.

לכן, ככל שהרדיוס קטן יותר, כך הגובה אליו מגיע עמוד הנוזל בפעולה נימית. ניתן לראות זאת ישירות בתמונה בה משווים מים לכספית.

בצינור זכוכית ברדיוס של 0.05 מ"מ, עמוד המים לנפילה יגיע לגובה של 30 ס"מ. בצינורות נימים ברדיוס של 1 מיקרומטר ולחץ יניקה של 1.5 x 10 ³ hPa (השווה ל 1.5 אטם) מתאים לחישוב גובה עמוד המים של 14 עד 15 M.

זה דומה מאוד למה שקורה עם הקשיות ההן שמסתובבות על עצמן מספר פעמים. לוגמת הנוזל יוצרת הפרש לחץ הגורם לנוזל לעלות לפה.

ערך הגובה המקסימלי של העמוד אליו מגיעים הקפיליות הוא תיאורטי, מכיוון שלא ניתן להפחית את רדיוס הנימים מעבר לגבול מסוים.

חוק פואזוויל

זה קובע כי זרימת נוזל אמיתי ניתנת על ידי הביטוי הבא:

Q = (πr ⁴ / 8ηl) ΔP

כאשר Q הוא זרימת הנוזל, η הוא הצמיגות שלו, l הוא אורך הצינור ו- ΔP הוא הפרש הלחץ.

ככל שרדיוס נימי הדם יורד, גובה עמוד הנוזל אליו מגיעים הקפיליות אמור לגדול ללא הגבלת זמן. עם זאת, פויזויל מציין שככל שהרדיוס יורד, גם זרימת הנוזל דרך הנימים ההוא פוחתת.

כמו כן צמיגות, שהיא מדד להתנגדות לזרימת נוזל אמיתי, תפחית עוד יותר את זרימת הנוזל.

-זווית קשר (θ)

ככל שהערך של cos greater גדול יותר, כך גובה עמוד המים לנשימה, כפי שמצוין בחוק יורין.

אם θ קטן ומתקרב לאפס (0), הקוסθ הוא = 1, כך שהערך h יהיה מקסימאלי. נהפוך הוא, אם θ שווה ל 90 מעלות, הקוסθ = 0 והערך של h = 0.

כאשר הערך של θ גדול מ- 90 מעלות, וזה המקרה של המניסקוס הקמור, הנוזל אינו עולה על ידי קפילליות ונטייתו לרדת (כפי שקורה בכספית).

קיבולת מים

למים ערך מתח פני השטח של 72.75 ננומטר / מטר, גבוה יחסית בהשוואה לערכי מתח פני השטח של הנוזלים הבאים:

-צטון: 22.75 N / m

-אתיל אלכוהול: 22.75 N / m

-הקסאן: 18.43 נ / מ

-מתנול: 22.61 נ / מ.

לכן, למים מתח מתח פנימי יוצא דופן, המעדיף את התפתחות תופעת הקפילריות הנחוצה כל כך לספיגת מים וחומרים מזינים על ידי צמחים.

בצמחים

מקור: Pixabay

הנפילה היא מנגנון חשוב לעליית המיץ דרך קסילם של הצמחים, אך היא אינה מספיקה כשלעצמה בכדי להביא את המוהל לעלים של עצים.

טרנספרציה או אידוי הם מנגנון חשוב בעליית המיץ דרך קסילם של צמחים. העלים מאבדים מים באמצעות אידוי, ויוצרים ירידה בכמות מולקולות המים, הגורמת למשיכה של מולקולות המים הקיימות בצינורות הנימים (קסילם).

מולקולות מים אינן פועלות באופן בלתי תלוי זו בזו, אלא אינטראקציות על ידי כוחות ואן דר וואלס, מה שגורם להם לעלות כבולים יחד דרך נימי הצמחים לעבר העלים.

בנוסף למנגנונים אלה, יש לציין כי צמחים סופגים מים מהאדמה על ידי אוסמוזה וכי לחץ חיובי הנוצר בשורש, מניע את תחילת עליית המים דרך נימי הצמח.

הפניות

1. גרסיה פרנקו א '(2010). תופעות שטחיות. התאושש מ: sc.ehu.es
2. תופעות שטח: מתח פנים וקביליות. . התאושש מ: ugr.es
3. ויקיפדיה. (2018). קַפִּילָרִיוּת. התאושש מ: es.wikipedia.org
4. Risvhan T. (nd) קיבולת בצמחים. התאושש מ: academia.edu
5. הלמנסטין, אן מארי, דוקטורט. (22 בדצמבר 2018). פעולה נימית: הגדרה ודוגמאות. התאושש מ: thoughtco.com
6. אלן אליס מ '(2018). פעולה נימית של מים: הגדרה ודוגמאות. לימוד. התאושש מ: study.com
7. צוות ScienceStruck. (16 ביולי 2017). דוגמאות המסבירות את הרעיון והמשמעות של פעולה נימית. התאושש מ: sciencestruck.com