Oletko koskaan miettinyt, kuinka hyönteiset voivat kävellä veden päällä?

Voi 11, 2022

Se ei johdu siitä, että ne ovat kevyempiä tai vähemmän tiheitä kuin vesi, vastaus on… pintajännitys!

Mikä on pintajännitys

Se aiheuttaa kuplien muodostumisen, näin vesi voi ryömiä ylös kapillaariputken reunoja pitkin, ja se mahdollistaa hyönteisten, kuten vesikulkijan, kävellä lammen pintaa rikkomatta sitä. 

Pintajännitys on energiaa, joka tarvitaan lisäämään nesteen pinta-alaa ja siten se, mikä saa nesteen haluamaan mahdollisimman pienen pinta-alan. Toisin sanoen se on pinnan kyky vastustaa ulkoista voimaa, joka johtuu nesteessä toimivista molekyylivoimista. Näitä voimia ovat vetysidos (vahvat molekyylien väliset vuorovaikutukset) ja dispersiovoimat (heikko molekyylien välinen vuorovaikutus).

Pintajännityksen lisäksi vesijuoksijoiden jaloissa on tuhansia pieniä karvoja, jotka sitovat ilmaa ja lisäävät vedenkestävyyttä.
Pintajännityksen lisäksi vesijuoksijoiden jaloissa on tuhansia pieniä karvoja, jotka sitovat ilmaa ja lisäävät vedenkestävyyttä.

Veden omituisuus

Monien muiden ainutlaatuisten ominaisuuksiensa joukossa veden kemiallinen rakenne antaa sille a paljon korkeampi pintajännitys kuin muilla nesteillä - noin 72 mN/m. Ainoa neste, jolla on suurempi pintajännitys, on elohopea, 500 mN/m. Tästä syystä vesi on yleisin esimerkki pintajännityksen osoittamisesta, ja voimme nähdä sen toiminnassa kaikkialla, missä kuljemme.

Vesi koostuu kahdesta vetyatomista ja yhdestä happiatomista tetraedrisessä rakenteessa, ja tämä konfiguraatio sallii vesimolekyylien muodostaa sähköstaattisia sidoksia, joita kutsutaan vetysidoksiksi, viereisten molekyylien välille.

Pintoja kuvataan usein joko hydrofiilisiksi (vettä rakastaviksi) tai hydrofobisiksi (vettä vihaaviksi), ja tämän määrää pinnan kyky sitoutua vesimolekyyleihin sen sijaan, että vesi yksinkertaisesti sitoutuisi itseensä. Tämä pintasitoutumiskyky määräytyy usein molekyylien polariteetin perusteella ja sen perusteella, onko vetysidosten tapahtumiselle paikkoja. Kemiassa "kaltainen vetää puoleensa kaltaista", joten polaarinen molekyyli, kuten vesi, vetoaa enemmän napaiseen pintaan kuin pintaan, jossa ei ole nettovarausta.

Lotuksen lehtiä

Kun katsot lootuksenkukan lehdistä valuvaa vettä, huomaat, että lehti ei todellakaan kastu. Vesi vain valuu pois ilman jälkiä. Lootusilmiö on superhydrofobisuuden erikoistapaus, ja tämä johtuu kahdesta tekijästä.

Lootusvaikutelma on vaikuttanut muiden pintojen, kuten PTFE:n, teflonkeittoastioiden pinnoitteen, kehittymiseen ultrahydrofobisiksi, itsepuhdistuviksi ja tarttumattomiksi.
Lootusvaikutelma on vaikuttanut muiden pintojen, kuten PTFE:n, teflonkeittoastioiden pinnoitteen, kehittymiseen ultrahydrofobisiksi, itsepuhdistuviksi ja tarttumattomiksi.

Ensinnäkin lootuksen lehdet peittyvät kynsinauhoilla, jotka erittävät vahamaista ainetta lehden pinnan poikki. Vahat ja öljyt ovat hydrofobisia, joten vesipisarat tarttuvat helpommin muihin vesipisaroihin kuin lehtien pintaan.

Toiseksi lootuksenlehden pinta saattaa näyttää riittävän sileältä, mutta se on itse asiassa erittäin karkea mikroskooppisella tasolla. Se on peitetty monilla pienillä lehtien pinnan pisteillä muodostaen fraktaalihierarkioita pintaan ja aukkoja, joihin ilma voidaan vangita. Tämä lisää vastusta vesipisaran ja lehden pinnan välillä, jolloin vesi yksinkertaisesti rullaa pois. 

Murtuva pintajännitys

Pinnan energiaa voidaan alentaa, jotta se murtuu helpommin. Tämä saavutetaan käyttämällä pinta-aktiivisia aineita, lyhenne sanoista surfataässä toimiaive agemukset. 

Yleisimmät kotitalouksien pinta-aktiiviset aineet ovat pesuaineet puhdistustuotteissa sekä emulgointiaineet elintarvikkeissa ja kosmetiikassa.
Yleisimmät kotitalouksien pinta-aktiiviset aineet ovat pesuaineet puhdistustuotteissa sekä emulgointiaineet elintarvikkeissa ja kosmetiikassa.

Pinta-aktiiviset aineet ovat molekyylejä, joissa on hydrofiilinen pää ja hydrofobinen häntä. Molekyylit voivat asettua veden ja toisen nesteen (kuten öljyn tai ilman) rajapinnalle, mikä alentaa energiaa pinnalla. 

Voit visualisoida tämän ylimääräisenä kerroksena, joka peittää vesimolekyylit ja erottaa ne rajapinnasta ja toisistaan. Tämä levittää vesimolekyylejä ohuesti ja aiheuttaa kuplien muodostumista. 

Pesuaineissa nämä pienet kuplat voivat sitten päästä uriin ja huokosiin puhdistaakseen lian ja bakteerit. Emulsioissa kuplat voidaan dispergoida toiseen nesteeseen, kuten vesihiukkasiin, jotka on suspendoitu öljyyn margariinin valmistamiseksi. Emulgoivat pinta-aktiiviset aineet pystyvät muuttamaan kahden faasin koostumuksen homogeeniseksi ja varmistamaan, että niiden erottaminen on paljon vaikeampaa.

Chemwatch on täällä auttamassa

Haluatko tietää lisää oudoista kemiallisista ominaisuuksista? Olet oikeassa paikassa. Autamme sinua kaikissa kemiallisten ominaisuuksien ongelmissa, mukaan lukien turvallisuus ja varastointi, SDS-hallinta, lämpökartoitus, riskinarviointi ja kaikki siltä väliltä. Ota meihin yhteyttä tänään p sales@chemwatch.net

Lähteet:

Nopea kysely