التوتر السطحي. الدرس الثاني : معامل التوتر السطحي

توتر سطحي

التوتر السطحي

وهي تستخدم على نطاق واسع في الصناعة Industry. جرب هذا النشاط لتعرف ما إذا كان بإمكانك استخدام مناشف ورقية لنقل الماء من كوب إلى آخر، ولكي تفهم التفسير العلمي وراء الموضوع! معلومات أساسية ربما تكون قد استخدمت من قبل مناشف ورقية لتنظيف الماء المسكوب أو سوائل أخرى. وتقدم ظاهرة التوتر السطحي تفسيراً لإمكانية عمل فقاعات الصابون بينما لا يمكن القيام بعمل فقاعات باستخدام الماء النقي وحده، وذلك لأن الماء النقي لديه قوى توتر سطحي كبيرة، ولكن بإضافة منشطات السطوح كالصابون إليه تقل تلك القوى بأكثر من عشر أضعاف، وبذلك يصبح من الممكن عمل فقاعات ذات سطوح كبيرة بكتلة قليلة من السائل. مثلاً قد تحتوي فاعل بالسطح لأنه يزيد من قدرة ماء على اختراق التربة ويمتد تأثيره لأيام معدودة، ويجدر التنويه إلى أن الكثير من هذه المنظفات تحتوي على مراحل متطورة من مركبات كيميائة مثل والتي تكون ضارة جداً للنباتات ولا يجب استعمالها. عندما تختلط مياه لها لونان مختلفان، تتحد أصباغ المُلَوِّنات الغذائية فتشكل لونًا ثالثًا.

التالى

الدرس الثاني : معامل التوتر السطحي

التوتر السطحي

وربما تلاحظ أن السوائل الأخرى، مثل الزيوت التي لديها توتر سطحي أقل من الماء لها تأثير مماثل للصابون، ولكن السوائل مثل العصائر التي تتكون من الماء بصورة أساسية ليس لها أي تأثير. لذلك تتعرّض الجزيئات الموجودة عند السطح لقوى داخلية من التجاذب الجزيئي، وبالتالي يغيّر السائل شكله حتى يتخذّ أقل مساحة ممكنة. أي أن كل جزيء عند السطح يكون متأثراً بقوى جذب إلى الداخل مما يقلل من فرصة شغله موقع سطحي تؤدي إلى تقلص سطح السائل ليشغل أصغر مساحة ممكنة له. بالإضافة إلى ذلك فكل من الزيت و الكيروسين له توتر سطحى أقل من التوتر السطح للماء لذلك لا يمكن ليرقات البعوض أن تعلق به فتغوص و تغرق بينما تتعلق يرقات البعوض بسطح الماء لكبرالتوتر السطحى له بالنسبة للزيت أو الكيروسين. يجب أن نذكر أيضاً وجود بين السلسلة الهيدروكربونية النمط المفضل في الزمرة الكارهة للماء وجزئيات الماء. قد يكون فيها مواقع أنيونية وأخرى كاتيونية في الجزيء الواحد، وفقًا المحلول.

التالى

الماء المتنقل

التوتر السطحي

فجزيئات القطن طويلة متوازية بينها فراغات رفيعة كالأنابيب الشعرية. في البداية يتم مص السائل لأعلى في الأنبوب قبل أن يتحرك السائل للأسفل داخل الوعاء التالي، هذا على الرغم من عدم وجود مضخة تدفع حركة السائل. وتعمل قوى التوترالسطحى على إنقاص مساحة سطح السائل إلى أقل ما يمكن، وبما أن الشكل الكروي له أقل مساحة ممكنة لذلك. ولأنها محاطة بالماء من كل اتجاه، كان التوتر السطحي يجذبها بالتساوي في كل اتجاه، ولهذا لم تتحرك. بينما لو لم يكن الصابون موجوداً لما امتزج السائلان وذلك لأن قوى التوتر السطحي لدى كل من السائلين أكبر من قوى تماسك أحدهما مع الآخر. وعلى الأرجح، ستجد التأثير نفسه يحدث مع أشكال أخرى عديدة— حتى المربعات! كما تسمى أي مادةٍ يمكنك إضافتها إلى سائلٍ بما يسمح بزيادة مساحة سطحه بمادة ترطيبٍ. تفسير الظاهرة تعتبر قوى التماسك بين جزيئات السوائل سبب حدوث ظاهرة التوتر السطحي؛ حيث لا تمتلك الجزيئات على سطح كأسٍ من الماء جزيئات مجاورة لها في كل الاتجاهات للارتباط بها، فتزداد نتيجةً لذلك قوى تماسكها مع تلك المحيطة بها مما يسبب صعوبةً أكبر في تحريك جسمٍ غريبٍ خلال سطح السائل بالمقارنة مع جسمٍ مغمورٍ تمامًا بالماء.

التالى

علم الفيزياء :ظاهرة التوتر السطحي

التوتر السطحي

الشد السطحي أو التوتر السطحي كما ذكرنا هو خاصية لسطح السائل إذ يعمل كغشاء مشدود تقف عليه الحشرات وتطفو عليه الإبرة أو الشفرة الفلزية أو حتى قطعة نقدية مع أن كثافتها أكبر من كثافة السائل. إذا كانت قوى التماسك أقوى من قوى الالتصاق، فإن جسم الماء سوف يحافظ على شكله، وإذا كان العكس صحيحًا فإن السائل سوف ينتشر، بما يزيد من مساحة السطح. وهي تكون قادرة على القيام بهذا العمل لأنها تحتوي على كل من مجموعتي الزمرة المحبة للماء Hydrophilic Water Loving Group، مثل الشوارد الأيون الحمضي Acid Anion -CO 2 — أو SO 3 — والزمرة الكارهة للماء Hydrophobic Water Hating ، مثل زمرة أو مجموعة الألكيل Alkyl Group. هل سبق لك أن تساءلت عن الكيفية التي تقوم من خلالها المناشف بامتصاص هذا القدر الكبير من الماء؟ تُصنع المناشف الورقية من العديد من الألياف الصغيرة التي تحتوي على فجوات بينية. تَمَثل الفاعلات بالسطح برسم تخطيطي يتألف من خط يمثل الذيل وهو الجزء العضوي الكاره للماء ، ودائرة تمثل الرأس وهو الزمرة المحبة للماء. إنها تشبه مشاهدة الطلاء وهو يجف أو العشب وهو ينمو! وتسعى جزيئات الماء للتجمع بقرب الأولى، في حين تسعى جزيئات المادة غير المنحلة في الماء Water-Insoluble Material للتجمع قرب الأخيرة. كما أن الأكسجين الموجود في الجو يقلل من التوتر السطحي للمواد المختلفة.

التالى

الدرس الثاني : معامل التوتر السطحي

التوتر السطحي

كان الصابون Soap واحداً من العوامل الفعالة سطحياً الأولى، التي تم الحصول عليها من الدهون Fats التي عرفت باسم غليسريدات Glycerides، لأنها كانت استرات تتشكل من الكحول ثلاثي الوظيفة الكحولية الغولية Trihydric Alcohol المسمى البروبان-3,2,1-تريول Propane-1,2,3,-triol أو الغليسرول الغليسرين Glycerol، مع أحماض كربوكسيلية طويلة السلسلة Long Chain Carboxylic Acids الأحماض الدهنية Fatty Acids. لعامل الفعالية السطحية مهمة جداً نظرياً وعملياً لأنه يمثل أجهزة في حالات مرتبة وغير مرتبة، قد تتضمن مرحلة مرتبة كما في المذيلات ومرحلة غير مرتبة كما في جزيئات وأيونات فاعل بالسطح. تركيز الفاعل بالسطح الذي تبدأه الذي يكون أولاً عبر المذيلات يسمى ، عندما تتكون المذيلات في الماء فان ذيولها تكون في الصميم لتوقف عمل الاعتيادي، ويبقى رأسها متصلاً مع الماء أيضاً في الوقت نفسه، لكن إذا تجمع عامل الفعالية السطحية في الزيت فان شكله يكون معاكساً حيث أن الرأس يكون في الصميم والذيل متصلاً مع الزيت. أتى اسمها من أوائل حروف surface acting age nts. العوامل المؤثّرة تبقى مميزات التوتر السطحي للسائل ثابتةً بشكلٍ عام، ولكن يمكن أن تتغير بتغير درجات الحرارة، وتأثير المواد الكيماوية والأكسدة أو وجود الشوائب. تربط بين جزيئات المادة المتجانسة قوى تسمى قوى الجذب الجزيئية قوى التماسك تعمل على تماسك جزيئات هذه المادة بعضها ببعض، إن قيمة هذه القوى في السوائل تكون أقل مما عليه في الأجسام الصلبة وهذا ما يفسر تغير شكل السائل بتغير الإناء الموجود فيه، بالإضافة على تلك القوى يوجد قوى تؤثر بين جزيئات السائل وجزيئات الأوساط الأخرى التي تلامسها سواء أكانت حالة تلك الأوساط صلبة أو سائلة أو غازية تدعى هذه القوى ب قوى التلاصق. يُسحب الماء إلى هذه الفجوات بالخاصية الشعرية، وهي الظاهرة نفسها التي تسمح للأشجار بامتصاص الماء من الأرض.

التالى

ما هو التوتر السطحي

التوتر السطحي

الشكل 1 بالنسبة للجزيئات الواقعة في داخل السائل أي على بعد عدة أقطار جزيئية إلى الأسفل من سطحه، فإن كل جزيء مثل A سوف يتأثر بقوى تماسك مع جزيئات السائل الأخرى من جميع الجهات وبنفس القدر تقريباً مما يعني أن جزيء مثل A سيكون متأثر بمجموعة متزنة من القوى محصلتها معدومة. معلومات أساسية سواء أكُنت تستقل السيارة في أحد الأيام الممطرة أو كنت تسكب بعض الماء على طاولة المطبخ، فقد رأيت على الأرجح تَكوُّن بعض قطرات الماء، فما الذي يجعل هذه القطرات تتماسك معًا، وتتخذ في بعض الأحيان أشكالًا شبه دائرية؟ لماذا لا تتناثر وتتوزع على نحوٍ متساوٍ أو تنقسم إلى قطرات أصغر حجمًا؟ الإجابة هي أن هذه القطرات تتماسك معًا بفعل ظاهرة يُطلق عليها التوتر السطحي؛ إذ إن جزيئات الماء ينجذب بعضها إلى بعض بمقدار طفيف، ولكن على سطح قطرة الماء تكون هذه الجزيئات أكثر انجذابًا للجزيئات الأخرى حولها من انجذابها للهواء أعلاها. ربما تكون قد سمعت عن ظاهرة أخرى، بالرغم من أنه من المحتمل أنك لم يسبق أن جربتها بنفسك: هذه الظاهرة هي السحب. فعلى سبيل المثال فإن الماء لا ينتشر على الأسطح النايلونية أو الأسطح المغطاة بالشمع وذلك لأن قوى تماسك جزيئات الماء مع بعضها البعض أكبر من قوى التصاق الماء بالسطح المشمع، وبالتالي تتجمع قطرات الماء فوق ذلك السطح على شكل قطرات يمكن أن تسقط بسهولة دون أن تبلل السطح. ولكن هذا يخالف الميل الطبيعي للأجسام لتقليل طاقتها، ويتحقق ذلك في السوائل من خلال ميلها الطبيعي لتقليل مساحة سطحها إلى أقل قدر ممكن حيث يبرهن رياضياً أن ذلك يتحقق عندما يكون شكل السطح كروياً.

التالى