التوتر السطحي - ظاهرة البلل - الخاصية الشعرية




عند وضع سائل على سطح صلب فإنه یكون معرض لقوتین:

(1) قوى التماسك Cohesive Forces
وھي تلك القوى التي تربط جزیئات السائل بعضھا ببعض.
وھي تعتمد على قوى التجاذب المتبادلة بین جزیئات المادة الواحدة، وتكون ھي المسؤولة عن المظھر المتماسك للمادة، أي بمعنى الى أي مدى تكون المادة متماسكة.

(2) قوى التلاصق Adhesive Forces
وھي تلك القوى التي تربط جزیئات السائل بسطح الجسم الصلب.
بمعنى أنھا قوى تجاذب تنشأ بین مادتین مختلفتین (بین جزیئات السائل وسطح المادة الصلبة) . فمثلاً عند غمر أنبوبة شعریة في الماء تنشأ قوى تجاذب (قوى تلاصق) بین جزیئات الماء والزجاج.

مما سبق فإن ھناك سوائل (مثل الماء) إذا وضعت على سطح سائل تبلله، وھناك سوائل أخرى (مثل الزئبق) لا تبلل السطح الصلب (تكون على شكل كریات على ھذا السطح).

التوتر السطحي وظاهرة البلل Surface tension and Wet

(1) عندما تكون قوى التلاصق أكبر من قوى التماسك:
 فإن السائل ینتشر على سطح الصلب وتكون زاویة التماس بین السائل وسطح الصلب أقل من (°90) والسوائل التي تعطي ھذه الظاهرة تنتشر على السطح الداخلي لأنبوبة زجاجیة شعریة، ویتبلل سطح الصلب.

(2) إذا كانت زاویة التماس بین السائل والسطح الصلب تساوي الصفر:
 فإنه یحدث البلل الكامل، وینتشر السائل انتشاراً تاماً على السطح الصلب. شكل (1)


(3) إذا كانت قوى التماسك أكبر من قوى التلاصق:
 فإن السائل لا ینتشر على سطح الصلب، وتكون زاویة التماس بین السائل وسطح الصلب أكبر من 90o ویكون مستوى ھذا السائل في الأنبوبة الشعریة منخفضاً عن مستواه  خارج الأنبوبة الشعریة، وفي ھذه الحالة فإن السوائل لا تبلل سطح الصلب (شكل 2B).


(4) ینتشر الماء بنعومة فوق سطح زجاجي نظیف. فالتوتر السطحي للماء · یسھل التغلب علیه ویبلل الماء الزجاج بسبب التجاذب بین سطح الزجاج وجزیئات الماء الذي یكون أقوى من التجاذب بین جزیئات الماء وھو ما یطلق علیه بقوى التلاصق.

(5) لكن إذا كان على الزجاج طبقة رقیقة من الشحم أو الزیت التي لا تنجذب إلیھا · جزیئات الماء إلا بضعف، فلا تستطیع قوى التجاذب الضعیفة عندئذ التغلب على التوتر السطحي للماء، فتتكون قطرات من الماء. فالماء لا یستطیع أن یبلل الأسطح الدھنیة – وھي من الحقائق التي تجعل الزجاج الأمامي المزیت للسیارة والأدوات الزجاجیة المخبریة الملوثة بالشحم من الأمور المضایقة المزعجة .
خاصیة تبلیل الماء للأسطح مثل الزجاج مھمة جداً في استعمال الماء كسائل تنظیف.

الماء یبلل سطح الجسم الصلب بینما الزئبق لا یبلله.

(1) في حالة الماء :

إذا وضع الماء على جسم صلب فإنه یبلل الجسم وذلك لأن قوى التلاصق أكبر من قوى التماسك، لذلك زاویة الالتصاق (البلل θ)
بین السائل والصلب أقل من ( °90 )  ( شكل 2A ، وشكل 3 على  اليسار).

وھذا النوع من السوائل یرتفع داخل الأنابیب الزجاجیة الشعریة عند غمسھا في السائل وسطح ھذه السوائل في الأنابیب یكون مقعراً شكل (Concave) (شكل 3 على  اليسار).


(2) في حالة الزئبق:

إذا وضع الزئبق على جسم صلب فإنه لا یبلله (لا ینتشر على سطحه بل یبقى على شكل كریات) وذلك لأن قوى التماسك أكبر من قوى التلاصق، لذلك فزاویة زاویة الالتصاق (البلل θ) بین السائل والصلب أكبر من ( °90 ) (شكل  4على اليمين).

وھذا النوع من السوائل یكون مستواه في الأنبوبة الشعریة منخفضاً عن مستواه خارج الأنبوبة الشعریة، وسطح ھذه السوائل في الأنابیب یكون محدب (Convex) (شكل  4 على الیسار).


(3) یمكن عمل المقارنة بین الزئبق والماء من خلال التوتر السطحي وزاویة البلل وقوى التماسك والالتصاق كما یلي:


زاویة البلل (الإلتصاق) θ
ھي الزاویة المحصورة بین سطح الجسم الصلب ومماس قطر السائل من جھة الھواء. وھي في حالة الماء أقل من (°90) بینما في حالة الزئبق (°130).

الخاصية الشعرية  Capillary Rise

تلتصق جزیئات سائل كالماء بقوة مع سطح الزجاج فتبلله وتكون النتیجة أنه إذا وضعت أنبوبة شعریة رأسیاً في الماء سوف یتكون فیلم رقیق على السطح الداخل ومساحة ھذا الفیلم كبیرة جداً بالنسبة لحجم السائل الداخلي في الأنبوبة الشعریة (بسبب تبلیل زجاج الأنبوبة تزید مساحة الماء السطحیة).

وحیث أن التوتر السطحي یمیل الى تقلیل المساحة، فإنه إما أن تجذب الجزیئات المكونة للفیلم الرقیق الى أسفل، وھذا یصعب نظراً لقوى الإلتصاق الكبیرة وإما أن یرتفع السائل داخل الأنبوبة لیقلل من مساحة الفیلم الرقیق (یلغي ھذه الزیادة في المساحة السطحیة للماء) وھذا أسھل وھو یحدث فعلاً . ثم یعود الماء مرة أخرى لتبلیل جدران الأنبوب فتزداد مساحة سطح تماسه ویؤدي ذلك الى ارتفاع الماء مرة أخرى.

وتستمر ھذه العملیة ویزداد ارتفاع الماء في الأنبوب الشعري. ویستمر الإرتفاع حتى تتساوى قوة الشد الى أسفل نتیجة للجاذبیة مع قوى التوتر السطحى والتي تعمل لأعلى.

لاحظ أننا فسرنا ارتفاع الماء داخل الأنبوب على مراحل، لكن في الواقع أن عملیة التبلیل والتوتر السطحي تحدثان في نفس الوقت، وأن الماء یرتفع بسھولة في الأنبوب الشعري.

وارتفاع الماء التلقائي في الأنابیب الشعریة ظاھرة مھمة في النبات فھذه الظاھرة (الإرتفاع التلقائي في الأنابیب الشعریة) ھي المسؤولة عن ارتفاع الماء المحمل بالغذاء عبر الجذور والسیقان إلى الأجزاء الأخرى من النبات.

علل : یرتفع الماء في الأنبوبة الشعریة عند غمرھا فیه، بینما ینخفض الزئبق عند غمرھا في الزئبق؟
وذلك لأن قوى التلاصق (بین الماء والزجاج) أقوى من (قوى التماسك بین جزیئات الماء) لذلك سیرتفع الماء في الأنبوبة الشعریة الى ارتفاع معین یتناسب مع قطر الأنبوبة (شكل 5 أ)، أما في حالة الزئبق فإنه سینخفض داخل الأنبوبة الشعریة (شكل 5 ب) لأن قوى التماسك بین ذرات الزئبق أقوى من قوى التلاصق بینھا وبین الزجاج.


علل: یتخذ الماء في الأنبوبة الشعریة شكلاً مقعراً في حین یتخذ الزئبق شكلاً محدباً؟
وذلك لأن قوى التلاصق (بین الماء والزجاج) أكبر من قوى التماسك (بین جزیئات الماء) لذلك یبلل الماء السطح الداخلي للأنبوبة الشعریة فیتقعر ، بینما قوى التلاصق (بین الزئبق والزجاج) أصغر من قوى التماسك (بین ذرات الزئبق) ل ذلك لا یبلل الزئبق السطح الداخلي فیتحدب.

قياس التوتر السطحي باستخدام الخاصية الشعرية (طريقة ارتفاع السائل في الأنبوبة الشعرية)

الخطوات

(1) نحضر السائل المراد تعیین التوتر السطحي له ونضعه في إناء (كثافة ذلك السائل معلومة فإن لم تكن معلومة فإنھا یتم قیاسھا باستخدام قنینة الكثافة ذات الحجم المعلوم).

(2) نحضر أنبوبة شعریة مفتوحة الطرفین ومعلوم نصف القطر (r) لھا ونغمسھا من أحد طرفیھا في السائل.

(3) نلاحظ ارتفاع السائل داخل الأنبوبة الشعریة، ویستمر ارتفاع السائل داخل الأنبوبة تحت تأثیر قوى التوتر السطحي (تعمل ھذه القوى على تقلیل المساحة السطحیة للسائل).

(4) عند ارتفاع معین داخل الأنبوبة الشعریة، یتوقف ارتفاع السائل. وعند ھذه النقطة یكون السائل واقع تحت تأثیر قوتین متساویتین في المقدار، ومتضادتین في الإتجاه، وھما قوى التوتر السطحي، التي تدفع السائل لأعلى، وقوى الجاذبیة الأرضیة التي تشد السائل لأسفل .

(5) نقیس ارتفاع السائل داخل الأنبوبة الشعریة، ولیكن h بوحدة سم أو المتر

طريقة الحسابات

عند توقف السائل عن الإرتفاع داخل الأنبوبة الشعریة فإن السائل یكون واقع تحت تأثیر قوتین متساویتین في المقدار ومتضادتین في الإتجاه، وھما: قوة الجذب للأسفل الناشئة عن الجاذبیة الأرضیة (قوة عمود السائل) و قوة الشد لأعلى (قوى التوتر السطحي).




حيث ŕ تمثل نصف قطر التقعر، والعلاقة بینه وبین نصف قطر الأنبوبة (r)


وبالتالي فإن قوى التوتر السطحي تساوي:


وعند توقف ارتفاع السائل في الأنبوبة الشعریة فإن:


γ : معامل التوتر السطحي ووحدته (dynes/cm)  أو .(N/m)

r : نصف قطر الأنبوبة الشعرية بوحدة (cm) أو المتر (m) أذا استخدم لقياس التوتر السطحي وحدة .(N/m)

h : ارتفاع السائل في الأنبوبة الشعرية (ارتفاع العمود بوحدة cm) ويمكن أن يستخدم المتر (m) إذا استخدم لقياس التوتر السطحي وحدة (N/m).

d : كثافة السائل بوحدة (g/cm3) وهى نفس الوحدة (g/ml) ويمكن تكون الوحدة (Kg/m3) إذا استخدم لقياس التوتر السطحي وحدة (N/m).

g : عجلة الجاذبية الأرضية وتساوي (981 cm/s2) ويمكن أن تستخدم القيمة (g = 9.81 m/s2) إذا استخدم لقياس التوتر السطحي وحدة (N/m).

θ : زواية البلل (في حالة السوائل التي تبلل السطوح الصلبة (مثل الماء) فإنھا تساوي تقريباً صفراً وقيمة (cos 0 = 1)

ملاحظات هامة في حل المسائل على الخاصية الشعرية

(1) الجدول التالي ملخص للوحدات المستخدمة في قیاسات التوتر السطحي:


(2) في حالة أن السائل في الأنبوبة الشعریة یبلل السطح تماماً (كما ھو الحال في الماء) فإنه یمكن اعتبار زاویة البلل تساوي صفراً، وعندھا فإن القانون یصبح:


(3) العلاقة الأخيرة:


تحل علیھا مسائل التوتر السطحي للسوائل التي تبلل السطح وفیھا زاویة البلل تساوي صفراً.

مسائل محلولة على العلاقة بين التوتر السطحي والخاصية الشعرية

مثال (1): إذا كان نصف قطر أنبوبة شعرية (r = 0.0335 cm) وعند غمسها في سائل كثافته (d = 0.866 g/cm3) ارتفع السائل في الأنبوبة الشعرية إلى ارتفاع قدره (h = 2.0 cm) فإذا علمت أن عجلة الجاذبية الأرضية تساوي (g = 981 cm/s2) فاحسب التوتر السطحي لذلك السائل.

الحل:




مثال(2): احسب ارتفاع الماء دالخل أنبوبة شعرية نصف قطرها (r = 0.002 m) عند درجة حرارة (30 oC) علماً بأن كثافة الماء تساوي (996 kg/m3) والتوتر السطحي للماء هو (71.18 × 10-3 N/m) والجاذبية الأرضية هي (9.81 m/s2)

الحل:


المراجع:  أسس الكيمياء العامة والفيزيائية - الجزء الأول.عمر بن عبد الله الهزازي ، قسم الكيمياء- كلية العلوم – جامعة أم القرى – المملكة العربية السعودية.




ليست هناك تعليقات