OPPERVLAKTESPANNING: OORZAKEN, VOORBEELDEN, TOEPASSINGEN EN EXPERIMENTEN - CHEMIE - 2026

De oppervlaktespanning is een fysieke eigenschap die alle vloeistoffen bevat en wordt gekenmerkt door weerstand tegen hun oppervlakken die elke toename van het oppervlak tegengaan. Dit is hetzelfde als zeggen dat genoemd oppervlak het kleinst mogelijke gebied zal zoeken. Dit fenomeen verstrengelt verschillende chemische concepten, zoals cohesie, adhesie en intermoleculaire krachten.

Oppervlaktespanning is verantwoordelijk voor de vorming van de oppervlaktekrommingen van vloeistoffen in buisvormige containers (maatcilinders, kolommen, reageerbuizen, enz.). Deze kunnen concaaf zijn (gebogen in de vorm van een vallei) of convex (gebogen in een koepelvorm). Veel fysische verschijnselen kunnen worden verklaard door te kijken naar de veranderingen die de oppervlaktespanning van een vloeistof ondergaat.

De bolvormige vormen die de waterdruppels op de bladeren aannemen, zijn deels te wijten aan hun oppervlaktespanning. Bron: foto gemaakt door flickr-gebruiker tanakawho

Een van deze verschijnselen is de neiging van vloeibare moleculen om te agglomereren in de vorm van druppels, wanneer ze rusten op oppervlakken die ze afstoten. De waterdruppels die we bovenop de bladeren zien, kunnen het bijvoorbeeld niet nat maken vanwege het wasachtige, hydrofobe oppervlak.

Er komt echter een tijd dat de zwaartekracht zijn rol speelt en de druppel eruit loopt als een kolom water. Een soortgelijk fenomeen doet zich voor in bolvormige kwikdruppels wanneer ze uit een thermometer worden gemorst.

Aan de andere kant is de oppervlaktespanning van water de belangrijkste van allemaal, omdat het bijdraagt ​​aan en de toestand van microscopisch kleine lichamen in waterige media, zoals cellen en hun lipidenmembranen, organiseert. Bovendien is deze spanning verantwoordelijk voor het feit dat het water langzaam verdampt en dat sommige lichamen dichter op het oppervlak drijven dan het kan drijven.

Oorzaken van oppervlaktespanning

De verklaring voor het fenomeen oppervlaktespanning ligt op moleculair niveau. De moleculen van een vloeistof interageren met elkaar, op zo'n manier dat ze samenhangend zijn in hun grillige bewegingen. Een molecuul heeft interactie met zijn buren ernaast en met die erboven of eronder.

Dit gebeurt echter niet hetzelfde met de moleculen op het oppervlak van de vloeistof, die in contact staan ​​met lucht (of een ander gas), of met een vaste stof. De moleculen op het oppervlak kunnen geen cohesie hebben met die van de externe omgeving.

Daardoor ervaren ze geen krachten die hen naar boven trekken; alleen naar beneden, van zijn buren in het vloeibare medium. Om deze onbalans tegen te gaan, worden de moleculen op het oppervlak "geperst", omdat ze alleen dan de kracht kunnen overwinnen die ze naar beneden duwt.

Er ontstaat dan een oppervlak waar de moleculen strakker staan ​​opgesteld. Als een deeltje de vloeistof wil binnendringen, moet het eerst deze moleculaire barrière passeren evenredig met de oppervlaktespanning van die vloeistof. Hetzelfde geldt voor een deeltje dat vanuit de diepten van de vloeistof naar de externe omgeving wil ontsnappen.

Daarom gedraagt ​​het oppervlak zich alsof het een elastische film is die bestand is tegen vervorming.

Eenheden

Oppervlaktespanning wordt meestal weergegeven door het symbool γ, en wordt uitgedrukt in eenheden van N / m, kracht maal lengte. Meestal is de eenheid echter de dyn / cm. De ene kan in de andere worden omgezet door de volgende omrekeningsfactor:

1 dyn / cm = 0,001 N / m

Oppervlaktespanning van water

Water is de zeldzaamste en meest verbazingwekkende van alle vloeistoffen. De oppervlaktespanning, evenals een aantal van zijn eigenschappen, zijn ongewoon hoog: 72 dyn / cm bij kamertemperatuur. Deze waarde kan oplopen tot 75,64 dyn / cm, bij een temperatuur van 0 ºC; of afnemen tot 58,85 ºC, bij een temperatuur van 100 ºC.

Deze waarnemingen zijn logisch als je bedenkt dat de moleculaire barrière nog strakker wordt bij temperaturen rond het vriespunt, of iets losser wordt rond het kookpunt.

Water heeft een hoge oppervlaktespanning vanwege zijn waterstofbruggen. Als deze op zichzelf merkbaar zijn in de vloeistof, zijn ze nog meer aan de oppervlakte. Watermoleculen zijn sterk verstrengeld en vormen dipool-dipoolinteracties van het H ₂ O-HOH-type.

Watermoleculen worden tot elkaar aangetrokken; zijn verbonden door waterstofbruggen

Hun interacties zijn zo efficiënt dat de waterige moleculaire barrière zelfs sommige lichamen kan ondersteunen voordat ze zinken. In de secties Toepassingen en Experimenten komen we op dit punt terug.

Andere voorbeelden

Alle vloeistoffen vertonen oppervlaktespanningen, hetzij in mindere of grotere mate dan water, hetzij zuivere stoffen of oplossingen. Hoe sterk en gespannen de moleculaire barrières van de oppervlakken zijn, hangt rechtstreeks af van hun intermoleculaire interacties, evenals van structurele en energetische factoren.

Gecondenseerde gassen

De moleculen van gassen in vloeibare toestand reageren bijvoorbeeld alleen met elkaar via Londense dispersiekrachten. Dit komt overeen met het feit dat hun oppervlaktespanningen lage waarden hebben:

-Vloeibaar helium, 0,37 dyn / cm bij -273 ºC

-Vloeibare stikstof, 8,85 dyn / cm bij -196 ºC

-Vloeibare zuurstof, 13,2 dyn / cm bij -182 ºC

De oppervlaktespanning van vloeibare zuurstof is hoger dan die van helium omdat de moleculen een grotere massa hebben.

Apolaire vloeistoffen

Van niet-polaire en organische vloeistoffen wordt verwacht dat ze hogere oppervlaktespanningen hebben dan deze gecondenseerde gassen. Onder sommige daarvan hebben we de volgende:

-Dietether, 17 dyn / cm bij 20 ºC

- n-hexaan, 18,40 dyn / cm bij 20 ° C

- n -Octaan, 21,80 dyn / cm bij 20 ° C

-Tolueen, 27,73 dyn / cm bij 25 ºC

Een vergelijkbare trend wordt waargenomen voor deze vloeistoffen: de oppervlaktespanning neemt toe naarmate hun molecuulgewichten toenemen. Het n-octaan moet daarom de hoogste oppervlaktespanning hebben en niet het tolueen. Hier spelen moleculaire structuren en geometrieën een rol.

Tolueenmoleculen, plat en ringvormig, hebben effectievere interacties dan n-octaan. Daarom is het oppervlak van tolueen "strakker" dan het oppervlak van n-octaan.

Polaire vloeistoffen

Omdat er sterkere dipool-dipool-interacties zijn tussen de moleculen van een polaire vloeistof, hebben ze de neiging om hogere oppervlaktespanningen te vertonen. Maar dit is niet altijd het geval. Enkele voorbeelden zijn:

-Azijnzuur, 27,60 dyn / cm bij 20 ºC

-Aceton, 23,70 dyn / cm bij 20 ºC

-Bloed, 55,89 dyn / cm bij 22 ºC

-Ethanol, 22,27 dyn / cm bij 20 ºC

-Glycerol, 63 dyn / cm bij 20 ºC

-Gesmolten natriumchloride, 163 dyn / cm bij 650 ºC

- 6 M NaCl-oplossing, 82,55 dyn / cm bij 20 ºC

Gesmolten natriumchloride heeft naar verwachting een enorme oppervlaktespanning - het is een stroperige, ionische vloeistof.

Anderzijds is kwik een van de vloeistoffen met de hoogste oppervlaktespanning: 487 dyn / cm. Daarin bestaat het oppervlak uit sterk samenhangende kwikatomen, veel meer dan watermoleculen kunnen zijn.

Toepassingen

Sommige insecten gebruiken de oppervlaktespanning van het water om erop te kunnen lopen. Bron: Pixabay.

Oppervlaktespanning alleen heeft geen toepassingen. Dit betekent echter niet dat het niet betrokken is bij verschillende dagelijkse verschijnselen die, als ze niet zouden bestaan, niet zouden voorkomen.

Muggen en andere insecten kunnen bijvoorbeeld door water lopen. Dit komt omdat hun hydrofobe poten water afstoten, terwijl hun lage massa ervoor zorgt dat ze drijven op de moleculaire barrière zonder naar de bodem van de rivier, het meer, de vijver, enz.

Oppervlaktespanning speelt ook een rol bij de bevochtigbaarheid van vloeistoffen. Hoe hoger de oppervlaktespanning, hoe minder de neiging om door poriën of scheuren in een materiaal te lekken. Bovendien zijn het niet erg bruikbare vloeistoffen voor het reinigen van oppervlakken.

Wasmiddelen

Hier werken reinigingsmiddelen, die de oppervlaktespanning van het water verminderen en het helpen grotere oppervlakken te bedekken; terwijl het de ontvettende werking verbetert. Door zijn oppervlaktespanning te verlagen, maakt het ruimte voor luchtmoleculen, waarmee het bellen vormt.

Emulsies

Aan de andere kant zijn lagere bovenspanningen gekoppeld aan de stabilisatie van de emulsies, die erg belangrijk zijn bij de formulering van verschillende producten.

Simpele experimenten

Metalen clip zweeft door de oppervlaktespanning van het water. Bron: Alvesgaspar

Ten slotte worden enkele experimenten genoemd die in elke woonruimte kunnen worden uitgevoerd.

Clip experiment

Een metalen clip wordt op het oppervlak in een glas met koud water geplaatst. Zoals te zien is in de afbeelding hierboven, blijft de clip drijven dankzij de oppervlaktespanning van het water. Maar als er een beetje lava-porselein aan het glas wordt toegevoegd, zal de oppervlaktespanning dramatisch dalen en zal de paperclip plotseling zinken.

Papieren boot

Als we aan de oppervlakte een papieren bootje of een houten pallet hebben, en als de vaatwasser of het afwasmiddel wordt toegevoegd aan de kop van een wattenstaafje, dan zal er een interessant fenomeen optreden: er zal een afstoting zijn die ze naar de randen van het glas zal voortplanten. Het papieren bootje en de houten pallet zullen wegschuiven van het met wasmiddel besmeurde wattenstaafje.

Een ander soortgelijk en meer grafisch experiment bestaat uit het herhalen van dezelfde operatie, maar dan in een emmer water besprenkeld met zwarte peper. De zwarte peper deeltjes zullen wegdrijven en het oppervlak zal veranderen van peper bedekt naar glashelder, met de peper aan de randen.

Referenties

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Chemie (8e ed.). CENGAGE Leren.
2. Wikipedia. (2020). Oppervlaktespanning. Hersteld van: en.wikipedia.org
3. USGS. (sf). Oppervlaktespanning en water. Hersteld van: usgs.gov
4. Jones, Andrew Zimmerman. (12 februari 2020). Oppervlaktespanning - definitie en experimenten. Hersteld van: thoughtco.com
5. Susanna Laurén. (15 november 2017). Waarom is oppervlaktespanning belangrijk? Biolin Scientific. Hersteld van: blog.biolinscientific.com
6. Rookie Parenting Science. (07 november 2019). Wat is oppervlaktespanning - Cool Science Experiment. Hersteld van: rookieparenting.com
7. Jessica Munk. (2020). Oppervlaktespanningsexperimenten. Studie. Hersteld van: study.com
8. De jongen zou dit moeten zien. (2020). Zeven experimenten met oppervlaktespanning - Physics Girl. Hersteld van: thekidshouldseethis.com