القدرة الشعرية: الخصائص والمثال في الماء - كيمياء - 2026

في الشعرية هي خاصية من السوائل التي يسمح لهم بالتحرك الثقوب الأنبوبية أو الأسطح المسامية حتى ضد الجاذبية. لهذا ، يجب أن يكون هناك توازن وتنسيق بين قوتين مرتبطتين بجزيئات السائل: التماسك والالتصاق ؛ هذين لهما انعكاس مادي يسمى التوتر السطحي.

يجب أن يكون السائل قادرًا على تبليل الجدران الداخلية للأنبوب أو مسام المادة التي يمر من خلالها. يحدث هذا عندما تكون قوة الالتصاق (جدار الأنبوب الشعري السائل) أكبر من قوة التماسك بين الجزيئات. وبالتالي ، فإن جزيئات السائل تخلق تفاعلات أقوى مع ذرات المادة (زجاج ، ورق ، إلخ) مقارنة ببعضها البعض.

المصدر: MesserWoland عبر Wikipedia

يتضح المثال الكلاسيكي للخاصية الشعرية في مقارنة هذه الخاصية لسائلين مختلفين للغاية: الماء والزئبق.

في الصورة أعلاه ، يمكن ملاحظة أن الماء يرتفع إلى أعلى جدران الأنبوب ، مما يعني أن لديه قوى التصاق أكبر ؛ بينما يحدث العكس مع الزئبق ، لأن قوى التماسك ، الرابطة المعدنية ، تمنعه ​​من تبليل الزجاج.

لهذا السبب ، تشكل المياه هلالة مقعرة ، والزئبق هلالة محدبة (على شكل قبة). وتجدر الإشارة أيضًا إلى أنه كلما كان نصف قطر الأنبوب أو المقطع الذي ينتقل من خلاله السائل أصغر ، زاد الارتفاع أو المسافة المقطوعة (قارن ارتفاعات أعمدة المياه لكلا الأنبوبين).

خصائص الشعيرات الدموية

- سطح السائل

سطح السائل ، على سبيل المثال الماء ، في الأنبوب الشعري مقعر ؛ وهذا يعني أن الغضروف المفصلي مقعر. يحدث هذا الموقف لأن نتيجة القوى المؤثرة على جزيئات الماء بالقرب من جدار الأنبوب موجهة نحوها.

يوجد في كل هلالة زاوية تلامس (θ) ، وهي الزاوية التي يتكون منها جدار الأنبوب الشعري بخط مماس لسطح السائل عند نقطة التلامس.

قوى الالتصاق والتماسك

إذا سادت قوة التصاق السائل بجدار الشعيرات الدموية على قوة التماسك بين الجزيئات ، فإن الزاوية تكون θ <90º ؛ يبلل السائل جدار الشعيرات الدموية ويرتفع الماء عبر الشعيرات الدموية ، ملاحظًا الظاهرة المعروفة باسم الشعيرات الدموية.

عند وضع قطرة ماء على سطح كوب نظيف ، ينتشر الماء فوق الكوب ، لذا θ = 0 و cos θ = 1.

إذا سادت قوة التماسك بين الجزيئات على قوة الالتصاق بالجدار الشعري السائل ، على سبيل المثال في الزئبق ، فسيكون الغضروف المفصلي محدبًا والزاوية θ ستكون قيمة> 90 درجة ؛ الزئبق لا يبلل جدار الشعيرات الدموية وبالتالي يتدفق إلى أسفل جداره الداخلي.

عند وضع قطرة من الزئبق على سطح زجاج نظيف ، تحافظ القطرة على شكلها وزاويتها θ = 140θ.

-ارتفاع

يرتفع الماء عبر الأنبوب الشعري حتى يصل إلى ارتفاع (h) ، حيث يعوض وزن عمود الماء المكون الرأسي لقوة التماسك بين الجزيئات.

مع ارتفاع المزيد من المياه ، ستأتي نقطة توقف فيها الجاذبية عن الصعود ، حتى مع عمل التوتر السطحي لصالحك.

عندما يحدث هذا ، لا تستطيع الجزيئات الاستمرار في "تسلق" الجدران الداخلية ، وكل القوى الفيزيائية تتساوى. من ناحية ، لديك القوى التي تعزز ارتفاع الماء ، ومن ناحية أخرى ، فإن وزنك يدفعه إلى الأسفل.

قانون جورين

يمكن كتابة هذا رياضيا على النحو التالي:

2 π rϒcosθ = gπr ² ساعة

حيث يعتمد الجانب الأيسر من المعادلة على التوتر السطحي ، والذي يرتبط حجمه أيضًا بالتماسك أو القوى بين الجزيئات ؛ يمثل Cosθ زاوية التلامس ، و r نصف قطر الفتحة التي يرتفع من خلالها السائل.

وعلى الجانب الأيمن من المعادلة لدينا الارتفاع h ، وقوة الجاذبية g ، وكثافة السائل ؛ الذي سيكون الماء.

نحل إذن h لدينا

ح = (2ϒcosθ / gr)

تُعرف هذه الصيغة باسم قانون جورين ، الذي يحدد الارتفاع الذي وصل إليه عمود السائل ، في الأنبوب الشعري ، عندما يكون وزن عمود السائل متوازنًا مع قوة الصعود بفعل الشعيرات الدموية.

-التوتر السطحي

الماء هو جزيء ثنائي القطب ، بسبب كهرسلبية ذرة الأكسجين وهندستها الجزيئية. يؤدي هذا إلى أن يصبح الجزء من جزيء الماء حيث يوجد الأكسجين سالبًا ، بينما يصبح جزء جزيء الماء ، الذي يحتوي على ذرتي الهيدروجين ، مشحونًا بشكل إيجابي.

تتفاعل جزيئات السائل بفضل هذا من خلال روابط هيدروجينية متعددة ، مما يجعلها متماسكة. ومع ذلك ، فإن جزيئات الماء الموجودة في الماء: واجهة الهواء (السطح) ، تخضع لجاذبية صافية بواسطة جزيئات الجيوب الأنفية للسائل ، ولا يتم تعويضها عن طريق التجاذب الضعيف مع جزيئات الهواء.

لذلك ، تخضع جزيئات الماء الموجودة في الواجهة لقوة جذابة تميل إلى إزالة جزيئات الماء من الواجهة ؛ وبعبارة أخرى ، فإن الروابط الهيدروجينية التي تكونت مع الجزيئات الموجودة في الأسفل تسحب تلك الموجودة على السطح. وبالتالي ، يسعى التوتر السطحي إلى تقليل سطح الماء: واجهة الهواء.

العلاقة مع h

إذا نظرنا إلى معادلة قانون جورين ، فسنجد أن h يتناسب طرديًا مع ϒ ؛ لذلك ، كلما زاد التوتر السطحي للسائل ، زاد الارتفاع الذي يمكن أن يرفعه شعري أو مسام مادة ما.

بهذه الطريقة ، من المتوقع أنه في حالة وجود سائلين ، A و B ، مع توترات سطحية مختلفة ، فإن السائل الذي يحتوي على توتر سطحي أكبر سيرتفع إلى ارتفاع أعلى.

يمكن الاستنتاج فيما يتعلق بهذه النقطة أن التوتر السطحي المرتفع هو أهم خاصية تحدد الخاصية الشعرية للسائل.

- إشعاع الشعيرات الدموية أو المسام التي يرتفع من خلالها السائل

تشير ملاحظة قانون جورين إلى أن الارتفاع الذي يصل إليه السائل في الشعيرات الدموية أو المسام يتناسب عكسياً مع نصف قطرها.

لذلك ، كلما كان نصف القطر أصغر ، زاد الارتفاع الذي يصل إليه عمود السائل بفعل الشعيرات الدموية. يمكن رؤية هذا مباشرة في الصورة حيث يتم مقارنة الماء بالزئبق.

في أنبوب زجاجي نصف قطره 0.05 مم ، سيصل عمود الماء لكل شعيرة إلى ارتفاع 30 سم. في الأنابيب الشعرية التي يبلغ نصف قطرها 1 ميكرومتر مع ضغط شفط 1.5 × 10 ³ hPa (أي ما يعادل 1.5 ضغط جوي) يتوافق مع حساب ارتفاع عمود الماء من 14 إلى 15 م.

هذا مشابه جدًا لما يحدث مع تلك القش التي تنقلب على نفسها عدة مرات. يؤدي شرب السائل إلى إحداث فرق في الضغط يؤدي إلى ارتفاع السائل إلى الفم.

الحد الأقصى لقيمة ارتفاع العمود الذي تم الوصول إليه بواسطة الشعيرات الدموية هو نظري ، حيث لا يمكن تقليل نصف قطر الشعيرات الدموية إلى ما بعد حد معين.

قانون Poiseuille

هذا يثبت أن تدفق السائل الحقيقي يتم التعبير عنه بالتعبير التالي:

س = (πr ⁴ / 8ηl) ΔP

حيث Q هي تدفق السائل ، η هي لزوجته ، l طول الأنبوب ، و P هو فرق الضغط.

مع انخفاض نصف قطر الشعيرات الدموية ، يجب أن يزداد ارتفاع عمود السائل الذي تم الوصول إليه بواسطة الشعيرات الدموية إلى أجل غير مسمى. ومع ذلك ، يشير Poiseuille إلى أنه مع انخفاض نصف القطر ، يتناقص أيضًا تدفق السائل عبر تلك الشعيرات الدموية.

كما أن اللزوجة ، وهي مقياس لمقاومة تدفق سائل حقيقي ، من شأنها أن تقلل من تدفق السائل.

-زاوية الاتصال (θ)

كلما زادت قيمة cosθ ، زاد ارتفاع عمود الماء لكل شعري ، كما هو موضح في قانون جورين.

إذا كانت صغيرة وتقترب من الصفر (0) ، فإن cosθ = 1 ، وبالتالي فإن القيمة h ستكون القصوى. على العكس من ذلك ، إذا كانت θ تساوي 90º ، فإن cosθ = 0 وقيمة h = 0.

عندما تكون قيمة θ أكبر من 90 درجة ، وهي حالة الغضروف المفصلي المحدب ، فإن السائل لا يرتفع عن طريق الشعيرات الدموية ويميل إلى النزول (كما يحدث مع الزئبق).

شعيرية الماء

تبلغ قيمة التوتر السطحي للماء 72.75 نيوتن / م ، وهي مرتفعة نسبيًا مقارنة بقيم التوتر السطحي للسوائل التالية:

الأسيتون: 22.75 نيوتن / م

-كحول الإيثيل: 22.75 نيوتن / م

-هكسان: 18.43 ن / م

- الميثانول: 22.61 نيوتن / م.

لذلك ، يتمتع الماء بتوتر سطحي استثنائي ، مما يساعد على تطور ظاهرة الشعيرات الدموية الضرورية للغاية لامتصاص الماء والمغذيات بواسطة النباتات.

في النباتات

المصدر: Pixabay

الشعيرات الدموية هي آلية مهمة لصعود النسغ من خلال نسيج الخشب ، لكنها غير كافية في حد ذاتها للحصول على النسغ لأوراق الأشجار.

يعتبر التعرق أو التبخر آلية مهمة في صعود النسغ عبر نسيج الخشب. تفقد الأوراق الماء من خلال التبخر ، مما يؤدي إلى انخفاض في كمية جزيئات الماء ، مما يؤدي إلى جذب جزيئات الماء الموجودة في الأنابيب الشعرية (نسيج الخشب).

لا تعمل جزيئات الماء بشكل مستقل عن بعضها البعض ، بل تتفاعل بواسطة قوى فان دير فال ، مما يجعلها تصعد مرتبطة ببعضها البعض من خلال الشعيرات الدموية للنباتات باتجاه الأوراق.

بالإضافة إلى هذه الآليات ، تجدر الإشارة إلى أن النباتات تمتص الماء من التربة عن طريق التناضح وأن الضغط الإيجابي المتولد في الجذر ، يدفع بداية صعود الماء عبر الشعيرات الدموية للنبات.

المراجع

1. غارسيا فرانكو أ. (2010). الظواهر السطحية. تم الاسترجاع من: sc.ehu.es
2. الظواهر السطحية: التوتر السطحي والشعرية.. تم الاسترجاع من: ugr.es
3. ويكيبيديا. (2018). الشعرية. تم الاسترجاع من: es.wikipedia.org
4. Risvhan T. (nd) الشعرية في النباتات. تم الاسترجاع من: Academia.edu
5. هيلمنستين ، آن ماري ، دكتوراه. (22 ديسمبر 2018). العمل الشعري: التعريف والأمثلة. تم الاسترجاع من: thinkco.com
6. إلين إليس م. (2018). العمل الشعري للماء: التعريف والأمثلة. دراسة. تم الاسترجاع من: study.com
7. فريق ScienceStruck. (16 يوليو 2017). أمثلة تشرح مفهوم ومعنى العمل الشعري. تم الاسترجاع من: sciencestruck.com