KAPILLARITÄT: EIGENSCHAFTEN UND BEISPIEL IN WASSER - CHEMIE - 2025

Die Kapillarität ist eine Eigenschaft von Flüssigkeiten, die es ihnen ermöglicht, röhrenförmige Löcher oder poröse Oberflächen auch gegen die Schwerkraft zu bewegen. Dazu müssen zwei Kräfte, die mit den Molekülen der Flüssigkeit zusammenhängen, ausgeglichen und koordiniert werden: Kohäsion und Adhäsion; Diese beiden haben eine physikalische Reflexion, die als Oberflächenspannung bezeichnet wird.

Die Flüssigkeit muss in der Lage sein, die Innenwände des Rohrs oder die Poren des Materials, durch das sie fließt, zu benetzen. Dies tritt auf, wenn die Adhäsionskraft (Flüssigkeitskapillarrohrwand) größer ist als die intermolekulare Kohäsionskraft. Folglich erzeugen die Moleküle der Flüssigkeit stärkere Wechselwirkungen mit den Atomen des Materials (Glas, Papier usw.) als miteinander.

Quelle: MesserWoland über Wikipedia

Das klassische Beispiel der Kapillarität wird im Vergleich dieser Eigenschaft für zwei sehr unterschiedliche Flüssigkeiten veranschaulicht: Wasser und Quecksilber.

In der Abbildung oben ist zu sehen, dass das Wasser an den Wänden des Rohrs aufsteigt, was bedeutet, dass es größere Adhäsionskräfte aufweist. während bei Quecksilber das Gegenteil auftritt, weil seine Kohäsionskräfte der metallischen Bindung verhindern, dass es das Glas benetzt.

Aus diesem Grund bildet Wasser einen konkaven Meniskus und Quecksilber einen konvexen (kuppelförmigen) Meniskus. Es sollte auch beachtet werden, dass je kleiner der Radius des Rohrs oder des Abschnitts, durch den sich die Flüssigkeit bewegt, desto größer die zurückgelegte Höhe oder Entfernung ist (vergleiche die Höhen der Wassersäulen für beide Rohre).

Kapillaritätsmerkmale

-Oberfläche der Flüssigkeit

Die Oberfläche der Flüssigkeit, um Wasser zu sagen, in einer Kapillare ist konkav; Das heißt, der Meniskus ist konkav. Diese Situation tritt auf, weil das Ergebnis der Kräfte, die auf die Wassermoleküle nahe der Wand des Rohrs ausgeübt werden, darauf gerichtet ist.

In jedem Meniskus gibt es einen Kontaktwinkel (θ), der der Winkel ist, den die Wand des Kapillarröhrchens mit einer Linie bildet, die die Oberfläche der Flüssigkeit am Kontaktpunkt tangiert.

Adhäsions- und Kohäsionskräfte

Wenn die Adhäsionskraft der Flüssigkeit an der Kapillarwand gegenüber der intermolekularen Kohäsionskraft überwiegt, beträgt der Winkel θ <90º; Die Flüssigkeit benetzt die Kapillarwand und das Wasser steigt durch die Kapillare auf, wobei das als Kapillarität bekannte Phänomen beobachtet wird.

Wenn ein Wassertropfen auf die Oberfläche eines sauberen Glases gegeben wird, verteilt sich das Wasser über das Glas, so dass θ = 0 und cos θ = 1 ist.

Wenn die intermolekulare Kohäsionskraft gegenüber der Adhäsionskraft der Flüssigkeitskapillarwand, beispielsweise in Quecksilber, überwiegt, ist der Meniskus konvex und der Winkel θ hat einen Wert> 90º; Quecksilber benetzt die Kapillarwand nicht und läuft daher die Innenwand hinunter.

Wenn ein Tropfen Quecksilber auf die Oberfläche eines sauberen Glases gegeben wird, behält der Tropfen seine Form und den Winkel θ = 140º bei.

-Höhe

Das Wasser steigt durch das Kapillarrohr bis zu einer Höhe (h) auf, in der das Gewicht der Wassersäule die vertikale Komponente der intermolekularen Kohäsionskraft kompensiert.

Wenn mehr Wasser steigt, wird es einen Punkt geben, an dem die Schwerkraft ihren Aufstieg stoppt, selbst wenn die Oberflächenspannung zu Ihren Gunsten wirkt.

In diesem Fall können die Moleküle die Innenwände nicht weiter „erklimmen“, und alle physikalischen Kräfte gleichen sich aus. Einerseits haben Sie die Kräfte, die den Aufstieg des Wassers fördern, und andererseits drückt Ihr eigenes Gewicht es nach unten.

Jurins Gesetz

Dies kann mathematisch wie folgt geschrieben werden:

2 π rϒcosθ = ρgπr ² h

Wo die linke Seite der Gleichung von der Oberflächenspannung abhängt, deren Größe auch mit der Kohäsion oder den intermolekularen Kräften zusammenhängt; Cosθ repräsentiert den Kontaktwinkel und r den Radius des Lochs, durch das die Flüssigkeit aufsteigt.

Und auf der rechten Seite der Gleichung haben wir die Höhe h, die Schwerkraft g und die Dichte der Flüssigkeit; Das wäre das Wasser.

Lösen dann für h haben wir

h = (2ϒcosθ / ρgr)

Diese Formulierung ist als Jurin'sches Gesetz bekannt, das die Höhe definiert, die die Flüssigkeitssäule im Kapillarröhrchen erreicht, wenn das Gewicht der Flüssigkeitssäule mit der Aufstiegskraft durch Kapillarwirkung ausgeglichen wird.

-Oberflächenspannung

Wasser ist aufgrund der Elektronegativität des Sauerstoffatoms und seiner Molekülgeometrie ein Dipolmolekül. Dies führt dazu, dass der Teil des Wassermoleküls, in dem sich der Sauerstoff befindet, negativ geladen wird, während der Teil des Wassermoleküls, der die 2 Wasserstoffatome enthält, positiv geladen wird.

Die Moleküle in der Flüssigkeit interagieren dank dieser durch mehrere Wasserstoffbrückenbindungen und halten sie zusammen. Die Wassermoleküle, die sich in der Wasser-Luft-Grenzfläche (Oberfläche) befinden, werden jedoch durch die Moleküle des Sinus der Flüssigkeit einer Nettoanziehung ausgesetzt, die durch die schwache Anziehung mit den Luftmolekülen nicht kompensiert wird.

Daher sind die Wassermoleküle an der Grenzfläche einer Anziehungskraft ausgesetzt, die dazu neigt, Wassermoleküle von der Grenzfläche zu entfernen; Mit anderen Worten, die Wasserstoffbrückenbindungen, die mit den Molekülen am Boden gebildet werden, ziehen diejenigen, die sich an der Oberfläche befinden. Die Oberflächenspannung versucht daher, die Grenzfläche zwischen Wasser und Luft zu verringern.

Beziehung zu h

Wenn wir uns die Jurinsche Gesetzesgleichung ansehen, werden wir feststellen, dass h direkt proportional zu ϒ ist; Je höher die Oberflächenspannung der Flüssigkeit ist, desto größer ist daher die Höhe, die durch eine Kapillare oder Pore eines Materials angehoben werden kann.

Auf diese Weise wird erwartet, dass für zwei Flüssigkeiten A und B mit unterschiedlichen Oberflächenspannungen die mit größerer Oberflächenspannung auf eine höhere Höhe ansteigt.

In Bezug auf diesen Punkt kann geschlossen werden, dass eine hohe Oberflächenspannung das wichtigste Merkmal ist, das die Kapillareigenschaft einer Flüssigkeit definiert.

-Radius der Kapillare oder Pore, durch die die Flüssigkeit steigt

Die Beobachtung des Jurinschen Gesetzes zeigt, dass die Höhe, die eine Flüssigkeit in einer Kapillare oder Pore erreicht, umgekehrt proportional zum Radius derselben ist.

Je kleiner der Radius ist, desto größer ist daher die Höhe, die die Flüssigkeitssäule durch Kapillarwirkung erreicht. Dies ist direkt im Bild zu sehen, in dem Wasser mit Quecksilber verglichen wird.

In einem Glasrohr mit einem Radius von 0,05 mm erreicht die Wassersäule pro Kapillarität eine Höhe von 30 cm. In Kapillarröhrchen mit einem Radius von 1 µm bei einem Saugdruck von 1,5 x 10 ³ hPa (entspricht 1,5 atm) entspricht dies einer Berechnung der Höhe der Wassersäule von 14 bis 15 m.

Dies ist sehr ähnlich zu dem, was mit Strohhalmen passiert, die sich mehrmals selbst anmachen. Wenn Sie an der Flüssigkeit nippen, entsteht ein Druckunterschied, durch den die Flüssigkeit bis zum Mund aufsteigt.

Der durch die Kapillarität erreichte maximale Höhenwert der Säule ist theoretisch, da der Radius der Kapillaren nicht über eine bestimmte Grenze hinaus verringert werden kann.

Poiseuilles Gesetz

Dies stellt fest, dass der Fluss einer realen Flüssigkeit durch den folgenden Ausdruck gegeben ist:

Q = (πr ⁴ /8ηl) ΔP

Wobei Q der Fluss der Flüssigkeit ist, η ihre Viskosität ist, l die Länge des Rohrs ist und ΔP die Druckdifferenz ist.

Wenn der Radius einer Kapillare abnimmt, sollte die Höhe der durch die Kapillarität erreichten Flüssigkeitssäule auf unbestimmte Zeit zunehmen. Poiseuille weist jedoch darauf hin, dass mit abnehmendem Radius auch der Flüssigkeitsfluss durch diese Kapillare abnimmt.

Auch die Viskosität, die ein Maß für den Widerstand gegen den Fluss einer realen Flüssigkeit ist, würde den Fluss der Flüssigkeit weiter verringern.

-Kontaktwinkel (θ)

Je größer der Wert von cos & thgr; ist, desto größer ist die Höhe der Wassersäule pro Kapillarität, wie durch das Jurinsche Gesetz angegeben.

Wenn θ klein ist und sich Null (0) nähert, ist cosθ = 1, so dass der Wert h maximal ist. Im Gegensatz dazu ist, wenn θ gleich 90º ist, cosθ = 0 und der Wert von h = 0.

Wenn der Wert von θ größer als 90º ist, was beim konvexen Meniskus der Fall ist, steigt die Flüssigkeit nicht durch Kapillarität auf und ihre Tendenz ist abzusteigen (wie dies bei Quecksilber der Fall ist).

Kapillarität von Wasser

Wasser hat einen Oberflächenspannungswert von 72,75 N / m, der im Vergleich zu den Oberflächenspannungswerten der folgenden Flüssigkeiten relativ hoch ist:

-Aceton: 22,75 N / m

-Ethylalkohol: 22,75 N / m

-Hexan: 18,43 N / m

-Methanol: 22,61 N / m.

Wasser hat daher eine außergewöhnliche Oberflächenspannung, was die Entwicklung des Kapillaritätsphänomens begünstigt, das für die Aufnahme von Wasser und Nährstoffen durch Pflanzen notwendig ist.

In Pflanzen

Quelle: Pixabay

Kapillarität ist ein wichtiger Mechanismus für den Aufstieg von Saft durch das Xylem von Pflanzen, reicht jedoch nicht aus, um den Saft an die Blätter von Bäumen abzugeben.

Schweiß oder Verdunstung ist ein wichtiger Mechanismus beim Aufstieg von Saft durch das Xylem von Pflanzen. Die Blätter verlieren durch Verdunstung Wasser, wodurch die Menge der Wassermoleküle abnimmt, wodurch die in den Kapillarröhrchen (Xylem) vorhandenen Wassermoleküle angezogen werden.

Wassermoleküle wirken nicht unabhängig voneinander, sondern interagieren durch Van-der-Waals-Kräfte, wodurch sie zusammengebunden durch die Kapillaren der Pflanzen in Richtung der Blätter aufsteigen.

Zusätzlich zu diesen Mechanismen sollte beachtet werden, dass Pflanzen durch Osmose Wasser aus dem Boden aufnehmen und dass ein in der Wurzel erzeugter Überdruck den Beginn des Wasseranstiegs durch die Kapillaren der Pflanze antreibt.

Verweise

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