מתח פני השטח: גורמים, דוגמאות, יישומים וניסויים - כִּימִיָה - 2025

מתח הפנים הוא מאפיין פיזי שיש כל הנוזלים והוא מאופיין התנגדות משטחים שלהם להתנגד כל עלייה בתחומה. זה כמו להגיד שהשטח האמור יחפש את השטח הקטן ביותר האפשרי. תופעה זו שזורה כמה מושגים כימיים, כמו לכידות, הידבקות וכוחות בין מולקולריים.

מתח השטח אחראי להיווצרותם של עקומות נוזלים בכלי צינורות (צילינדרים מדורגים, עמודים, מבחנות וכו '). אלה יכולים להיות קעורים (מעוקלים בצורת עמק) או קמור (מעוקל בצורת כיפה). ניתן להסביר תופעות פיזיות רבות על ידי התחשבות בשינויים שעובר מתח פני השטח של נוזל.

הצורות הכדוריות שטיפות המים לובשות על העלים נובעות בחלקן ממתח השטח שלהן. מקור: תמונה שצולמה על ידי המשתמש flickr tanakawho

אחת התופעות הללו היא הנטייה של מולקולות נוזליות לגלגל בצורה של טיפות, כאשר הן נחות על משטחים הדוחים אותן. לדוגמה, טיפות המים שאנו רואים על גבי העלים, אינן יכולות להרטיב אותם בגלל השטח ההידרופובי השעווה שלה.

עם זאת, יש תקופה בה כוח המשיכה ממלא את תפקידו והטיפה נשפכת כמו עמוד מים. תופעה דומה מופיעה בטיפות כספיות כדורי כשנשפכים מדחום.

לעומת זאת, מתח הפנים של המים הוא החשוב מכולם, מכיוון שהם תורמים ומארגנים את מצבם של גופים מיקרוסקופיים בתקשורת מימית, כמו תאים וממברנות השומנים שלהם. בנוסף, מתח זה אחראי לעובדה שהמים מתאדים לאט, וכמה גופים צפופים יותר מהם יכולים לצוף על פני השטח שלהם.

גורם למתח פני השטח

ההסבר לתופעת מתח פני השטח הוא ברמה המולקולרית. המולקולות של נוזל מתקשרות זו עם זו, באופן שהן מלוכדות בתנועותיהם הלא-תקינות. מולקולה מקיימת אינטראקציה עם שכנותיה לצידה ועם אלה שמעליה או מתחתיו.

עם זאת, זה לא קורה אותו דבר עם המולקולות על פני הנוזל, שנמצאות במגע עם אוויר (או כל גז אחר), או עם מוצק. המולקולות על פני השטח אינן יכולות להתלכד עם אלו של הסביבה החיצונית.

כתוצאה מכך הם לא חווים שום כוחות שמושכים אותם כלפי מעלה; רק כלפי מטה, משכנותיה במדיום הנוזל. כדי לנטרל את חוסר האיזון הזה, מולקולות המשטח "סוחטות", כמו שרק אז הן יכולות להתגבר על הכוח הדוחף אותן למטה.

לאחר מכן נוצר משטח במקום בו המולקולות נמצאות בסידור מתוח יותר. אם חלקיק רוצה לחדור לנוזל, עליו תחילה לעבור את המחסום המולקולרי הזה ביחס למתח השטח של הנוזל האמור. כך גם לגבי חלקיק שרוצה לברוח לסביבה החיצונית ממעמקי הנוזל.

לכן פני השטח שלו מתנהגים כאילו היה סרט אלסטי המראה התנגדות לעיוות.

יחידות

מתח פני השטח מיוצג בדרך כלל על ידי הסמל γ, והוא בא לידי ביטוי ביחידות של N / m, אורך פעמים פעמים. עם זאת, רוב הזמן היחידה שלה היא ה- dyn / cm. ניתן להמיר אחד לאחר באמצעות גורם ההמרה הבא:

1 dyn / cm = 0.001 N / m

מתח פני השטח של מים

מים הם הנדירים והמדהימים ביותר מבין כל הנוזלים. מתח השטח שלו, כמו גם כמה מתכונותיו, הם גבוהים באופן יוצא דופן: 72 די'ם / ס"מ בטמפרטורת החדר. ערך זה יכול לעלות ל 75.64 די'ם / ס"מ, בטמפרטורה של 0 ºC; או לרדת ל 58.85 מעלות צלזיוס, בטמפרטורה של 100 מעלות צלזיוס.

תצפיות אלה הגיוניות כשחושבים כי המחסום המולקולרי מתהדק עוד יותר בטמפרטורות הקרובות להקפאה, או "מתרופף" מעט יותר סביב נקודת הרתיחה.

למים מתח פנים גבוה בגלל קשרי המימן שלהם. אם אלה כשלעצמם מורגשים בתוך הנוזל, הם אפילו יותר על פני השטח. מולקולות מים מסתבכות חזק ויוצרות אינטראקציות דיפול-דיפול מסוג H ₂ O-HOH.

מולקולות מים נמשכות זו לזו; קשורים באמצעות קשרי מימן

כזה הוא יעילות האינטראקציות שלהם שהמכשול המולקולרי המימי יכול אפילו לתמוך בגופים מסוימים לפני שהם שוקעים. בחלקי היישומים והניסויים נחזור לנקודה זו.

דוגמאות נוספות

כל הנוזלים מראים מתחים לפני השטח, במידה פחותה או גדולה יותר מהמים, ובין אם מדובר בחומרים או בתמיסות טהורות. כמה חסמים ומתוחים המחסומים המולקולריים של פני השטח שלו יהיו תלויים ישירות באינטראקציות הבין-מולקולריות שלהם, כמו גם בגורמים מבניים ואנרגטיים.

גזים מרוכזים

לדוגמה, מולקולות הגזים במצב הנוזלי אינטראקציות רק זו עם זו באמצעות כוחות פיזור בלונדון. זה תואם את העובדה שלמתחי השטח שלהם יש ערכים נמוכים:

-ליום זרוק, 0.37 די''מ / ס"מ בטמפרטורה של -273 מעלות צלזיוס

-חנקן נוזלי, 8.85 די''מ / ס"מ בטמפרטורה של -196 מעלות צלזיוס

-חמצן נוזלי, 13.2 די''מ / ס"מ בטמפרטורה -182 מעלות צלזיוס

מתח הפנים של חמצן נוזלי גבוה מזה של הליום מכיוון שלמולקולות שלו יש מסה גדולה יותר.

נוזלים אפולריים

נוזלים שאינם קוטביים ואורגניים צפויים להיות במתיחות פנים גבוהות יותר מגזים מרוכזים אלו. בין כמה מהם יש לנו את הדברים הבאים:

-דיילייטר, 17 די''מ / ס"מ בטמפרטורה 20 מעלות צלזיוס

- n-Hexane, 18.40 dyn / cm בטמפרטורה של 20 מעלות צלזיוס

- n -Octane, 21.80 Dyn / ס"מ בטמפרטורה של 20 מעלות צלזיוס

-טולואן, 27.73 די''מ / ס"מ, 25 מעלות צלזיוס

מגמה דומה נצפית בנוזלים אלה: מתח פני השטח עולה ככל שהמסה המולקולרית שלהם עולה. עם זאת, אם כן, ל- n-octane יש את מתח השטח הגבוה ביותר ולא הטולואן. כאן נכנסים לתמונה מבנים מולקולריים וגיאומטריות.

למולקולות טולואן, שטוחות וצורות טבעת, יש אינטראקציות יעילות יותר מאשר n- אוקטן. לכן, פני השטח של הטולואן "הדוקים" יותר משטח ה n- אוקטן.

נוזלים קוטבים

מכיוון שיש אינטראקציות דיפול-דיפול חזקות יותר בין מולקולות הנוזל הקוטבי, הנטייה שלהן היא להציג מתחים פני השטח גבוהים יותר. אבל זה לא תמיד המקרה. בין כמה דוגמאות שיש לנו:

-חומצה אצטית, 27.60 Dyn / ס"מ בטמפרטורה של 20 מעלות צלזיוס

-צטטון, 23.70 די''מ / ס"מ בטמפרטורה של 20 מעלות צלזיוס

-בריחה, 55.89 די''מ / ס"מ בטמפרטורה של 22 מעלות צלזיוס

-אתנול, 22.27 די''מ / ס"מ בטמפרטורה של 20 מעלות צלזיוס

-גלצירול, 63 די''מ / ס"מ בטמפרטורה של 20 מעלות צלזיוס

-מתוך נתרן כלוריד, 163 די''מ / ס"מ בטמפרטורה של 650 מעלות צלזיוס

- תמיסת NaCl 6 M, 82.55 דין / ס"מ בטמפרטורה של 20 מעלות צלזיוס

המתח הנתרן כלוריד מותך צפוי להיות במתח אדיר עצום - זהו נוזל צמיג, יוני.

לעומת זאת, כספית היא אחד הנוזלים עם מתח השטח הגבוה ביותר: 487 די''מ / ס"מ. בתוכו, פני השטח שלו מורכבים מאטומי כספית מלוכדים חזק, הרבה יותר מאשר מולקולות מים יכולות להיות.

יישומים

יש חרקים המשתמשים במתח פני השטח של המים כדי להצליח ללכת עליהם. מקור: Pixabay.

למתח השטח בלבד אין יישומים. עם זאת, אין פירוש הדבר שהוא אינו מעורב בתופעות יומיומיות שונות, שאילו הן לא היו קיימות, הן לא היו מתרחשות.

לדוגמא, יתושים וחרקים אחרים מסוגלים לעבור במים. הסיבה לכך היא שרגליהם ההידרופוביים דוחים מים, בעוד שמסתם הנמוכה מאפשרת להם להישאר על הצף על המכשול המולקולרי מבלי ליפול לתחתית הנהר, האגם, הבריכה וכו '.

מתח פני השטח ממלא גם תפקיד ברטיבות הנוזלים. ככל שמתח השטח שלו גבוה יותר, כך נטייתו לדלוף דרך נקבוביות או סדקים בחומר. בנוסף לכל אלה, הם אינם נוזלים שימושיים במיוחד לניקוי משטחים.

חומרי ניקוי

כאן פועלים חומרי ניקוי, מצמצמים את מתח השטח של המים ועוזרים להם לכסות משטחים גדולים יותר; תוך שיפור פעולת השומנים שלו. על ידי הפחתת מתח השטח שלו, הוא מפנה מקום למולקולות אוויר, איתן הוא יוצר בועות.

תחליבים

מצד שני, מתחים גבוהים יותר נמוכים קשורים לייצוב האמולסיות, החשובים מאוד בניסוח מגוון מוצרים שונה.

ניסויים פשוטים

קליפ מתכת צף בגלל מתח הפנים של המים. מקור: Alvesgaspar

לבסוף, יצוטטו כמה ניסויים שניתן לבצע בכל חלל ביתי.

ניסוי קליפ

קליפ מתכת מונח על פני השטח בכוס עם מים קרים. כפי שניתן לראות בתמונה למעלה, הקליפ יישאר צף הודות למתח הפנים של המים. אבל אם יתווספו מעט חרסינה לבה לזכוכית, מתח השטח יירד בצורה דרמטית ופס הנייר ישקע פתאום.

סירת נייר

אם על פני השטח יש לנו סירת נייר או משטח עץ, ואם המדיח או חומר הניקוי יתווסף לראש ספוגית, אז תתרחש תופעה מעניינת: תהיה דחייה שתפיץ אותם לכיוון שולי הזכוכית. סירת הנייר ומזרן העץ יתרחקו מהמטאטה המרוחה בחומר ניקוי.

ניסוי דומה וגרפי נוסף מורכב מחזרה על אותה פעולה, אך בדלי מים מפוזרים בפלפל שחור. חלקיקי הפלפל השחור ייתרחקו והמשטח ישתנה מפלפל מכוסה לנקי גביש, כאשר הפלפל בשוליו.

הפניות

1. וויטן, דייויס, פק וסטנלי. (2008). כִּימִיָה (מהדורה 8). לימוד CENGAGE.
2. ויקיפדיה. (2020). מתח פנים. התאושש מ: en.wikipedia.org
3. USGS. (sf). מתיחות לפני השטח ומים. התאושש מ: usgs.gov
4. ג'ונס, אנדרו צימרמן. (12 בפברואר 2020). מתח פני השטח - הגדרה וניסויים. התאושש מ: thoughtco.com
5. סוזנה לורן. (15 בנובמבר 2017). מדוע מתח מתח פני השטח חשוב? ביולין סיינטיפיק. התאושש מ: blog.biolinscientific.com
6. טירון הורות טירונות. (07 בנובמבר 2019). מהו מתח פני השטח - ניסוי מדעי מגניב. התאושש מ: rookieparenting.com
7. ג'סיקה מונק. (2020). ניסויים במתח פני השטח. לימוד. התאושש מ: study.com
8. הילד צריך לראות זאת. (2020). שבעה ניסויי מתח פנים - ילדת הפיזיקה. התאושש מ: thekidshouldseethis.com