YÜZEY GERILIMI: NEDENLERI, ÖRNEKLERI, UYGULAMALARI VE DENEYLERI - KIMYA - 2024

Yüzey gerilimi, fiziksel bir özelliği, tüm sıvı olan ve yüzeyleri kendi alanında bir artış karşı direnç ile karakterize olmasıdır. Bu, söz konusu yüzeyin mümkün olan en küçük alanı arayacağını söylemekle aynıdır. Bu fenomen kohezyon, yapışma ve moleküller arası kuvvetler gibi çeşitli kimyasal kavramları iç içe geçirir.

Boru şeklindeki kaplarda (dereceli silindirler, kolonlar, test tüpleri vb.) Sıvıların yüzey eğriliklerinin oluşumundan yüzey gerilimi sorumludur. Bunlar içbükey (vadi şeklinde kıvrımlı) veya dışbükey (kubbe şeklinde kavisli) olabilir. Bir sıvının yüzey geriliminin geçirdiği değişimler dikkate alınarak birçok fiziksel olay açıklanabilir.

Yaprakların üzerine su damlalarının aldığı küresel şekiller, kısmen yüzey gerilimlerinden kaynaklanmaktadır. Kaynak: fotoğraf flickr kullanıcısı tanakawho tarafından çekilmiştir

Bu fenomenlerden biri, sıvı moleküllerin kendilerini iten yüzeylere dayandıklarında damlalar şeklinde topaklanma eğilimidir. Örneğin yaprakların üzerinde gördüğümüz su damlaları, mumsu, hidrofobik yüzeyinden dolayı onu ıslatamazlar.

Bununla birlikte, yerçekiminin rolünü oynadığı ve damlaların bir su sütunu gibi döküldüğü bir zaman gelir. Benzer bir fenomen, bir termometreden döküldüğünde küresel cıva damlalarında meydana gelir.

Öte yandan, suyun yüzey gerilimi, hücreler ve bunların lipit zarları gibi sulu ortamdaki mikroskobik cisimlerin durumuna katkıda bulunduğu ve bunları düzenlediği için en önemlisidir. Ayrıca bu gerilim, suyun yavaşça buharlaşmasından ve bazı cisimlerin yüzeyinde yüzebileceğinden daha yoğun olmasından sorumludur.

Yüzey geriliminin nedenleri

Yüzey gerilimi olgusunun açıklaması, moleküler düzeydedir. Bir sıvının molekülleri, düzensiz hareketlerinde kohezif olacak şekilde birbirleriyle etkileşime girer. Bir molekül, yanındaki komşuları ve üstündeki veya altındakilerle etkileşime girer.

Ancak bu, sıvı yüzeyindeki hava (veya başka bir gaz) veya bir katı ile temas halindeki moleküllerde aynı şekilde gerçekleşmez. Yüzeydeki moleküller dış ortamdakilerle kohezyon yapamaz.

Sonuç olarak, onları yukarı doğru çeken herhangi bir kuvvet yaşamazlar; sıvı ortamda komşularından sadece aşağı doğru. Bu dengesizliği gidermek için yüzeydeki moleküller "sıkışırlar", çünkü ancak bu şekilde onları aşağı iten kuvvetin üstesinden gelebilirler.

Daha sonra moleküllerin daha sıkı bir düzenlemede olduğu bir yüzey oluşturulur. Bir parçacık sıvıya nüfuz etmek isterse, önce söz konusu sıvının yüzey gerilimiyle orantılı olarak bu moleküler bariyeri geçmelidir. Aynısı sıvının derinliklerinden dış ortama kaçmak isteyen bir parçacık için de geçerlidir.

Bu nedenle yüzeyi, deformasyona direnç gösteren elastik bir filmmiş gibi davranır.

Birimler

Yüzey gerilimi genellikle γ sembolü ile temsil edilir ve N / m birimleri, kuvvet çarpı uzunluk olarak ifade edilir. Bununla birlikte, çoğu zaman birimi dyn / cm'dir. Aşağıdaki dönüştürme faktörü ile biri diğerine dönüştürülebilir:

1 din / cm = 0,001 N / m

Suyun yüzey gerilimi

Su, tüm sıvıların en nadir ve en şaşırtıcı olanıdır. Yüzey gerilimi ve bazı özellikleri alışılmadık derecede yüksektir: oda sıcaklığında 72 din / cm. Bu değer 0 ºC sıcaklıkta 75.64 dyn / cm'ye yükselebilir; veya 100 ºC sıcaklıkta 58,85 ºC'ye düşürün.

Bu gözlemler, moleküler bariyerin donmaya yakın sıcaklıklarda daha da sıkılaştığını veya kaynama noktası civarında biraz daha "gevşediğini" düşündüğünüzde mantıklıdır.

Su, hidrojen bağlarından dolayı yüksek bir yüzey gerilimine sahiptir. Bunlar sıvının içinde kendi içlerinde fark edilirlerse, yüzeyde daha da belirgindirler. Su molekülleri, H ₂ O-HOH tipi dipol-dipol etkileşimleri oluşturarak güçlü bir şekilde dolaşıktır.

Su molekülleri birbirine çekilir; hidrojen bağlarıyla bağlanır

Sulu moleküler bariyer, bazı bedenleri batmadan önce destekleyebildiği etkileşimlerinin etkinliği öyledir. Uygulamalar ve deneyler bölümlerinde bu noktaya döneceğiz.

Diğer örnekler

Tüm sıvılar, sudan daha az veya daha fazla derecede veya saf maddeler veya solüsyonlar olsun, yüzey gerilimi gösterirler. Yüzeylerinin moleküler engellerinin ne kadar güçlü ve gergin olduğu, doğrudan moleküller arası etkileşimlere ve ayrıca yapısal ve enerjik faktörlere bağlı olacaktır.

Yoğun gazlar

Örneğin, sıvı haldeki gaz molekülleri birbirleriyle yalnızca Londra dağıtıcı kuvvetler aracılığıyla etkileşime girer. Bu, yüzey gerilimlerinin düşük değerlere sahip olmasıyla tutarlıdır:

-Sıvı helyum, -273ºC'de 0.37 dyn / cm

-Sıvı nitrojen, -196ºC'de 8.85 dyn / cm

-Sıvı oksijen, -182 C'de 13,2 din / cm

Sıvı oksijenin yüzey gerilimi helyumunkinden daha yüksektir çünkü molekülleri daha büyük kütleye sahiptir.

Apolar sıvılar

Polar olmayan ve organik sıvıların bu yoğunlaştırılmış gazlardan daha yüksek yüzey gerilimlerine sahip olması beklenir. Bazıları arasında şunlar var:

-Dietilether, 20ºC'de 17 din / cm

- n-Heksan, 20 ° C'de 18.40 din / cm

- n-Oktan, 20 ° C'de 21.80 din / cm

-Toluen, 25ºC'de 27.73 dyn / cm

Bu sıvılar için de benzer bir eğilim gözlemlenmektedir: moleküler kütleleri arttıkça yüzey gerilimi artar. Bununla birlikte, n-oktan bu nedenle toluene değil en yüksek yüzey gerilimine sahip olmalıdır. Burada moleküler yapılar ve geometriler devreye giriyor.

Düz ve halka şeklindeki tolüen molekülleri, n-oktandan daha etkili etkileşimlere sahiptir. Bu nedenle, toluenin yüzeyi n-oktan yüzeyinden "daha sıkıdır".

Polar sıvılar

Polar bir sıvının molekülleri arasında daha güçlü dipol-dipol etkileşimleri olduğundan, bunların eğilimi daha yüksek yüzey gerilimleri gösterme eğilimindedir. Ancak bu her zaman böyle değildir. Elimizde bulunan bazı örnekler arasında:

-Asetik asit, 27.60 dyn / cm 20ºC'de

-Aceton, 20ºC'de 23.70 dyn / cm

-Kan, 22ºC'de 55.89 dyn / cm

-Etanol, 22.27 dyn / cm, 20ºC'de

-Gliserol, 20ºC'de 63 din / cm

- Kaynaşmış sodyum klorür, 650ºC'de 163 din / cm

- 6 M NaCl çözeltisi, 82,55 dyn / cm, 20ºC'de

Erimiş sodyum klorürün muazzam bir yüzey gerilimine sahip olması beklenir - viskoz, iyonik bir sıvıdır.

Öte yandan cıva, en yüksek yüzey gerilimine sahip sıvılardan biridir: 487 dyn / cm. İçinde, yüzeyi, su moleküllerinin olabileceğinden çok daha fazla, güçlü bir şekilde bağlı cıva atomlarından oluşur.

Uygulamalar

Bazı böcekler üzerinde yürüyebilmek için suyun yüzey gerilimini kullanırlar. Kaynak: Pixabay.

Tek başına yüzey geriliminin uygulaması yoktur. Bununla birlikte, bu, varolmasaydı gerçekleşmeyecek olan çeşitli günlük olaylara dahil olmadığı anlamına gelmez.

Örneğin sivrisinekler ve diğer böcekler suyun içinden geçebilirler. Bunun nedeni, hidrofobik bacaklarının suyu itmesi, düşük kütlelerinin ise nehrin, gölün, göletin vb. Dibine düşmeden moleküler bariyer üzerinde ayakta kalmalarına izin vermesidir.

Yüzey gerilimi ayrıca sıvıların ıslanabilirliğinde de rol oynar. Yüzey gerilimi ne kadar yüksekse, bir malzemedeki gözeneklerden veya çatlaklardan sızma eğilimi o kadar azdır. Bunun yanı sıra yüzey temizliği için çok kullanışlı sıvılar değildir.

Deterjanlar

Deterjanların etki ettiği, suyun yüzey gerilimini azalttığı ve daha geniş yüzeyleri kaplamasına yardımcı olduğu yer burasıdır; yağ giderme etkisini geliştirirken. Yüzey gerilimini azaltarak, kabarcıklar oluşturduğu hava moleküllerine yer açar.

Emülsiyonlar

Diğer yandan, daha düşük gerilimler, farklı bir ürün yelpazesinin formülasyonunda çok önemli olan emülsiyonların stabilizasyonu ile bağlantılıdır.

Basit deneyler

Suyun yüzey gerilimi nedeniyle yüzen metal klips. Kaynak: Alvesgaspar

Son olarak, herhangi bir evsel alanda gerçekleştirilebilecek bazı deneylerden bahsedilecektir.

Klip deneyi

Yüzeyine soğuk suyla bir bardakta metal bir klips yerleştirilir. Yukarıdaki resimde görüldüğü gibi klips suyun yüzey gerilimi sayesinde ayakta kalacaktır. Ancak cama biraz lav çini eklenirse, yüzey gerilimi önemli ölçüde düşecek ve ataç aniden batacaktır.

Kağıttan gemi

Yüzeyde bir kağıt teknemiz veya tahta bir paletimiz varsa ve bir bezin başına bulaşık makinesi veya deterjan eklenirse, ilginç bir fenomen ortaya çıkacaktır: onları camın kenarlarına doğru ilerletecek bir itme olacaktır. Kağıt tekne ve tahta palet, deterjan bulaşmış pamuklu çubuktan uzaklaşacaktır.

Bir başka benzer ve daha grafik deney, aynı işlemi, karabiber serpilmiş bir kova su içinde tekrarlamaktan ibarettir. Karabiber tanecikleri uzaklaşacak ve yüzeyi biberle kaplı biberden kristal berraklığına dönecektir.

Referanslar

1. Whitten, Davis, Peck ve Stanley. (2008). Kimya (8. baskı). CENGAGE Öğrenme.
2. Vikipedi. (2020 yılında). Yüzey gerilimi. En.wikipedia.org adresinden kurtarıldı
3. USGS. (Sf). Yüzey Gerilimi ve Su. Usgs.gov adresinden kurtarıldı
4. Jones, Andrew Zimmerman. (12 Şubat 2020). Yüzey Gerilimi - Tanım ve Deneyler. Kurtarıldı: thinkco.com
5. Susanna Laurén. (15 Kasım 2017). Yüzey gerilimi neden önemlidir? Biolin Scientific. Kurtarıldı: blog.biolinscientific.com
6. Çaylak Ebeveynlik Bilimi. (7 Kasım 2019). Yüzey Gerilimi Nedir - Soğuk Bilim Deneyi. Kurtarıldı: rookieparenting.com
7. Jessica Munk. (2020 yılında). Yüzey Gerilimi Deneyleri. Ders çalışma. Study.com'dan kurtarıldı
8. Çocuk Bunu Görmeli. (2020 yılında). Yedi yüzey gerilimi deneyi - Physics Girl. Kurtarıldı: thekidshouldseethis.com