التوتر السطحي: الأسباب والأمثلة والتطبيقات والتجارب - كيمياء - 2026

و التوتر السطحي هو خاصية فيزيائية وجود جميع السوائل ويتميز مقاومة سطوحها تعارض أي زيادة في مساحته. هذا هو نفس القول بأن السطح المذكور سوف يبحث عن أصغر مساحة ممكنة. تتشابك هذه الظاهرة مع العديد من المفاهيم الكيميائية ، مثل التماسك والالتصاق والقوى بين الجزيئات.

التوتر السطحي مسؤول عن تكوين الانحناءات السطحية للسوائل في الحاويات الأنبوبية (أسطوانات مدرجة ، أعمدة ، أنابيب اختبار ، إلخ). يمكن أن تكون مقعرة (منحنية على شكل واد) أو محدبة (منحنية على شكل قبة). يمكن تفسير العديد من الظواهر الفيزيائية من خلال النظر في التغييرات التي يمر بها التوتر السطحي للسائل.

ترجع الأشكال الكروية التي تتخذها قطرات الماء على الأوراق جزئيًا إلى التوتر السطحي. المصدر: الصورة مأخوذة من مستخدم فليكر tanakawho

إحدى هذه الظواهر هي ميل الجزيئات السائلة إلى التكتل في شكل قطرات ، عندما تستقر على الأسطح التي تنفرها. على سبيل المثال ، قطرات الماء التي نراها فوق الأوراق ، لا يمكنها أن تبللها بسبب سطحها الشمعي الكاره للماء.

ومع ذلك ، يأتي وقت تلعب فيه الجاذبية دورها وتنسكب القطرة مثل عمود الماء. تحدث ظاهرة مماثلة في قطرات الزئبق الكروية عند انسكابها من مقياس حرارة.

من ناحية أخرى ، فإن التوتر السطحي للماء هو الأهم من ذلك كله ، لأنه يساهم في تنظيم حالة الأجسام المجهرية في الوسط المائي ، مثل الخلايا والأغشية الدهنية الخاصة بها. بالإضافة إلى ذلك ، فإن هذا التوتر مسؤول عن حقيقة أن الماء يتبخر ببطء ، وأن بعض الأجسام أكثر كثافة مما يمكنها أن تطفو على سطحها.

أسباب التوتر السطحي

إن تفسير ظاهرة التوتر السطحي يقع على المستوى الجزيئي. تتفاعل جزيئات السائل مع بعضها البعض بطريقة تجعلها متماسكة في حركاتها غير المنتظمة. يتفاعل الجزيء مع جيرانه بجانبه ومع أولئك الموجودين فوقه أو تحته.

ومع ذلك ، لا يحدث هذا الأمر نفسه مع الجزيئات الموجودة على سطح السائل ، والتي تكون على اتصال بالهواء (أو أي غاز آخر) ، أو مع مادة صلبة. لا يمكن للجزيئات الموجودة على السطح التماسك مع تلك الموجودة في البيئة الخارجية.

نتيجة لذلك ، لا يواجهون أي قوى تدفعهم إلى الأعلى ؛ فقط إلى أسفل ، من جيرانها في الوسط السائل. ولمواجهة هذا الخلل ، يتم "ضغط" الجزيئات الموجودة على السطح ، حيث يمكنها فقط عندئذٍ التغلب على القوة التي تدفعها إلى الأسفل.

ثم يتم إنشاء سطح حيث تكون الجزيئات في ترتيب أكثر إحكامًا. إذا أراد الجسيم اختراق السائل ، فيجب عليه أولاً عبور هذا الحاجز الجزيئي المتناسب مع التوتر السطحي للسائل المذكور. الأمر نفسه ينطبق على الجسيم الذي يريد الهروب إلى البيئة الخارجية من أعماق السائل.

لذلك ، يتصرف سطحه كما لو كان فيلمًا مرنًا يظهر مقاومة للتشوه.

الوحدات

عادة ما يتم تمثيل التوتر السطحي بالرمز γ ، ويتم التعبير عنه بوحدات N / m ، القوة مضروبة في الطول. ومع ذلك ، فإن وحدتها في معظم الأحيان هي dyn / cm. يمكن تحويل أحدهما إلى الآخر بواسطة عامل التحويل التالي:

1 داين / سم = 0.001 نيوتن / م

التوتر السطحي للماء

الماء هو أندر السوائل وأكثرها روعة. التوتر السطحي ، بالإضافة إلى العديد من خصائصه ، مرتفع بشكل غير عادي: 72 دين / سم في درجة حرارة الغرفة. يمكن أن تزيد هذه القيمة إلى 75.64 داين / سم ، عند درجة حرارة 0 درجة مئوية ؛ أو تنخفض إلى 58.85 درجة مئوية ، عند درجة حرارة 100 درجة مئوية.

هذه الملاحظات منطقية عندما تفكر في أن الحاجز الجزيئي يتقلص أكثر في درجات الحرارة القريبة من التجمد ، أو "يضعف" أكثر قليلاً حول نقطة الغليان.

الماء لديه توتر سطحي مرتفع بسبب روابطه الهيدروجينية. إذا كانت هذه في حد ذاتها ملحوظة داخل السائل ، فهي أكثر من ذلك على السطح. جزيئات الماء متشابكة بشدة ، وتشكل تفاعلات ثنائية القطب من نوع H ₂ O-HOH.

تنجذب جزيئات الماء إلى بعضها البعض ؛ مرتبطة بروابط هيدروجينية

هذه هي كفاءة تفاعلاتها بحيث يمكن للحاجز الجزيئي المائي أن يدعم بعض الأجسام قبل أن تغرق. في أقسام التطبيقات والتجارب سنعود إلى هذه النقطة.

أمثلة أخرى

تعرض جميع السوائل توترات سطحية ، إما بدرجة أقل أو أكبر من الماء ، أو ما إذا كانت مواد أو محاليل نقية. مدى قوة وتوتر الحواجز الجزيئية لأسطحه ، سيعتمد بشكل مباشر على تفاعلاتها بين الجزيئات ، بالإضافة إلى العوامل الهيكلية والحيوية.

الغازات المكثفة

على سبيل المثال ، تتفاعل جزيئات الغازات في الحالة السائلة مع بعضها البعض فقط من خلال قوى تشتت لندن. هذا يتوافق مع حقيقة أن التوترات السطحية لها قيم منخفضة:

- الهيليوم السائل ، 0.37 داين / سم عند -273 درجة مئوية

-نيتروجين سائل ، 8.85 داين / سم عند -196 درجة مئوية

-الأكسجين السائل ، 13.2 داين / سم عند -182 درجة مئوية

التوتر السطحي للأكسجين السائل أعلى من التوتر السطحي للهيليوم لأن جزيئاته لها كتلة أكبر.

سوائل أبولار

من المتوقع أن يكون للسوائل غير القطبية والعضوية توترات سطحية أعلى من هذه الغازات المكثفة. من بينها ما يلي:

- ديتيليتر ، 17 داين / سم عند 20 درجة مئوية

- n- هكسان ، 18.40 داين / سم عند 20 درجة مئوية

- n - أوكتان ، 21.80 داين / سم عند 20 درجة مئوية

- التولوين ، 27.73 داين / سم عند 25 درجة مئوية

لوحظ اتجاه مماثل لهذه السوائل: يزيد التوتر السطحي مع زيادة كتلها الجزيئية. ومع ذلك ، يجب أن يكون لـ n -octane أعلى توتر سطحي وليس التولوين. هنا تلعب الهياكل الجزيئية والهندسة.

تمتلك جزيئات التولوين ، المسطحة والحلقة الشكل ، تفاعلات أكثر فعالية من n -octane. لذلك ، فإن سطح التولوين يكون "أكثر إحكاما" من سطح n -octane.

السوائل القطبية

نظرًا لوجود تفاعلات أقوى ثنائي القطب ثنائي القطب بين جزيئات السائل القطبي ، فإن ميلها هو إظهار توترات سطحية أعلى. لكن هذا ليس هو الحال دائما. من بين بعض الأمثلة لدينا:

- حامض الخليك 27.60 داين / سم عند 20 درجة مئوية

- الأسيتون 23.70 داين / سم عند 20 درجة مئوية

-دم ، 55.89 داين / سم عند 22 درجة مئوية

- الإيثانول ، 22.27 داين / سم عند 20 درجة مئوية

- الجلسرين 63 داين / سم عند 20 درجة مئوية

- كلوريد الصوديوم المنصهر 163 داين / سم عند 650 درجة مئوية

- محلول كلوريد الصوديوم 6 مولار ، 82.55 داين / سم عند 20 درجة مئوية

من المتوقع أن يكون لكلوريد الصوديوم المنصهر توتر سطحي هائل - إنه سائل أيوني لزج.

من ناحية أخرى ، يعتبر الزئبق أحد السوائل ذات أعلى توتر سطحي: 487 داين / سم. في ذلك ، يتكون سطحه من ذرات زئبق شديدة التماسك ، أكثر بكثير من جزيئات الماء.

التطبيقات

تستخدم بعض الحشرات التوتر السطحي للماء لتتمكن من المشي عليه. المصدر: Pixabay.

التوتر السطحي وحده ليس له تطبيقات. ومع ذلك ، هذا لا يعني أنه لا يشارك في العديد من الظواهر اليومية ، والتي إذا لم تكن موجودة ، فلن تحدث.

على سبيل المثال ، يستطيع البعوض والحشرات الأخرى المشي في الماء. وذلك لأن أرجلها الكارهة للماء تصد الماء ، بينما تسمح كتلتها المنخفضة بالبقاء طافية على الحاجز الجزيئي دون السقوط في قاع النهر أو البحيرة أو البركة ، إلخ.

يلعب التوتر السطحي أيضًا دورًا في قابلية السوائل للبلل. كلما زاد التوتر السطحي ، قل ميله إلى التسرب عبر المسام أو الشقوق في المادة. بالإضافة إلى ذلك ، فهي ليست سوائل مفيدة جدًا لتنظيف الأسطح.

منظفات

هذا هو المكان الذي تعمل فيه المنظفات ، مما يقلل من التوتر السطحي للماء ، ويساعده على تغطية الأسطح الكبيرة ؛ مع تحسين عمل إزالة الشحوم. عن طريق تقليل التوتر السطحي ، فإنها تفسح المجال لجزيئات الهواء ، والتي تشكل بها فقاعات.

مستحلبات

من ناحية أخرى ، ترتبط التوترات المرتفعة المنخفضة بتثبيت المستحلبات ، وهي مهمة جدًا في صياغة مجموعة مختلفة من المنتجات.

تجارب بسيطة

مشبك معدني يطفو بسبب التوتر السطحي للماء. المصدر: Alvesgaspar

أخيرًا ، سيتم الاستشهاد ببعض التجارب التي يمكن إجراؤها في أي مكان منزلي.

تجربة المقطع

يوضع مشبك معدني على سطحه في كوب به ماء بارد. كما هو موضح في الصورة أعلاه ، سيبقى المقطع طافيًا بفضل التوتر السطحي للماء. ولكن إذا تمت إضافة القليل من الحمم الصينية إلى الزجاج ، فإن التوتر السطحي سينخفض ​​بشكل كبير وسيغرق مشبك الورق فجأة.

قارب ورقي

إذا كان لدينا على السطح قارب ورقي أو لوح خشبي ، وإذا أضيفت غسالة الصحون أو المنظف إلى رأس المسحة ، فستحدث ظاهرة مثيرة للاهتمام: سيكون هناك تنافر سينتشرها باتجاه حواف الزجاج. سوف يتحرك القارب الورقي والألواح الخشبية بعيدًا عن المسحة الملطخة بالمنظفات.

هناك تجربة أخرى مشابهة وأكثر رسومية تتمثل في تكرار نفس العملية ، ولكن في دلو من الماء مع رش الفلفل الأسود. سوف تنجرف جزيئات الفلفل الأسود بعيدًا وسيتغير السطح من الفلفل المغطى إلى الكريستال الصافي مع الفلفل على الحواف.

المراجع

1. ويتن ، ديفيس ، بيك وستانلي. (2008). كيمياء (الطبعة الثامنة). سينجاج ليرنينج.
2. ويكيبيديا. (2020). التوتر السطحي. تم الاسترجاع من: en.wikipedia.org
3. USGS. (سادس). التوتر السطحي والمياه. تم الاسترجاع من: usgs.gov
4. جونز ، أندرو زيمرمان. (12 فبراير 2020). التوتر السطحي - التعريف والتجارب. تم الاسترجاع من: thinkco.com
5. سوزانا لورين. (15 نوفمبر 2017). لماذا التوتر السطحي مهم؟ بيولين العلمي. تم الاسترجاع من: blog.biolinscientific.com
6. علم الأبوة والأمومة الصاعد. (07 نوفمبر 2019). ما هو التوتر السطحي - تجربة علمية رائعة. تم الاسترجاع من: rookieparenting.com
7. جيسيكا مونك. (2020). تجارب التوتر السطحي. دراسة. تم الاسترجاع من: study.com
8. يجب أن يرى الطفل هذا. (2020). سبع تجارب للتوتر السطحي - فتاة فيزيائية. تم الاسترجاع من: thekidshouldseethis.com