Fenomén kapilárnosti je již dlouho předmětem zkoumání vědců. Hlavní otázkou, která je zajímá, je, proč je například voda schopna stoupat v tenkých skleněných trubicích a rtuť ne. Studium tohoto jevu umožňuje nejen rozšířit naše znalosti o možnostech tekutin, ale také jej aplikovat v široké škále oblastí – od medicíny po výrobu novin.
Abychom pochopili příčiny tohoto jevu, je nutné zjistit, co je to kapilarita. Odpověď leží na úrovni povrchového jevu, ke kterému dochází v každé kapce tekutiny. Molekuly kapaliny jsou přitahovány k sobě a samy mohou stoupat po otevřeném nebo dutém povrchu a vytvářet kapiláru. To je způsobeno rozdílem v síle adheze a koheze mezi molekulami kapaliny a molekulami povrchu.
Studium kapilárnosti v tricích s vodou a rtutí nám umožňuje dozvědět se více o vlastnostech různých kapalin. Voda má vyšší přilnavost a váže se na molekuly skla nebo jiných povrchů. V důsledku toho stoupá po tenkých skleněných trubkách a vytváří strukturu, která se nazývá kapilára. Rtuť má naopak nízkou přilnavost a není přitahována k povrchu.
Příčina stability vodního sloupce
Na molekulární úrovni každá molekula vody přitahuje sousední molekuly a vytváří síly povrchového napětí. V důsledku toho může povrch vody vyčnívat a tvořit konvexní zakřivení, jako se to děje v tenké trubici.
V případě rtuti molekuly nemají přitažlivé síly dostatečné k vytvoření sil povrchového napětí, které by byly schopny udržet rtuť uvnitř tenké trubice. Rtuť se tedy nezvyšuje.
Rozdíl mezi vodou a rtutí je tedy v přítomnosti nebo nepřítomnosti sil povrchového napětí schopných podporovat sloupec uvnitř trubice.
Vlastnosti molekulární struktury vody
Molekula vody se skládá ze dvou atomů vodíku (H) a jednoho atomu kyslíku (O), které jsou vázány kovalentní vazbou. Tato vazba vytváří úhlový tvar molekuly, kde je atom kyslíku v centrální poloze a atomy vodíku jsou k němu nakloněny.
Atomy vodíku jsou mírně kladně nabité a kyslíkový Atom záporně. Právě tento rozdíl nábojů určuje základní vlastnosti molekuly vody.
Molekuly vody mezi sebou tvoří vodíkové vazby. Výsledkem takové vazby je vytvoření mřížky, ve které je jedna molekula vody spojena s jinými molekulami vody. Elektrostatické přitažlivé síly mezi náboji molekul vytvářejí silné intramolekulární vazby.
Tato síť interakcí mezi molekulami vody podporuje zadržování látek uvnitř struktury a udržuje kapalný stav vody při normální teplotě a atmosférickém tlaku.
V důsledku mřížky interakcí molekul vody dochází k jevu povrchového napětí. To vysvětluje, proč je voda schopna stoupat v tenkých skleněných trubicích kapilárním účinkem. Na molekulární úrovni tvoří voda sloupec v důsledku vazebných sil mezi molekulami, které se navzájem přitahují.
Zatímco rtuť, s mnohem těžší molekul vody, má jinou molekulární strukturu a netvoří silné vodíkové vazby. Rtuť proto nemůže stoupat v tenkých skleněných trubicích kapilárním účinkem, protože nemá dostatečnou přilnavost mezi molekulami.
Vlastnosti molekulární struktury vody tak určují její jedinečné vlastnosti, včetně schopnosti zadržovat molekuly jiných látek uvnitř své struktury a stoupat v tenkých skleněných trubicích.
Koerzní a adhezní síly ovlivňující vzestup vody
S tenkými skleněnými trubicemi tvoří voda meniskus, tedy zakřivený povrch na hranici s trubicí. Je to proto, že koerzní síly mezi molekulami vody a molekulami skla jsou silnější než koerzní síly mezi molekulami vody. V důsledku toho voda stoupá v potrubí.
Na rozdíl od vody rtuť netvoří meniskus v tenké skleněné trubici. To je způsobeno skutečností, že adhezní síly mezi molekulami rtuti a molekulami skla jsou slabší než adhezní síly mezi molekulami vody a molekulami skla. V důsledku toho rtuť v tenké skleněné trubici nevystoupá.
Síly koerzie a přilnavosti tedy hrají důležitou roli při zvedání vody v tenkých skleněných trubicích. Určují tvorbu menisku a zajišťují stabilitu vodního sloupce, což umožňuje vodě stoupat v trubici.
Žádné zvedání rtuti v tenkých skleněných trubkách
Rtuť na rozdíl od vody nestoupá v tenkých skleněných trubicích. Je to způsobeno několika faktory:
- Povrchové napětí: Voda má vysoké povrchové napětí, které jí umožňuje stoupat po úzkých trubkách. Rtuť má naopak mnohem menší povrchové napětí, které jí brání stoupat.
- Hustota: Rtuť je mnohem hustší než voda, což brání jejímu vzestupu v tenkých trubkách. Voda má naopak poměrně nízkou hustotu, která jí umožňuje stoupat pod tlakem.
- Intermolekulární síly: Racionální molekulární síly v rtuti jsou výrazně slabší než ve vodě, což oslabuje její schopnost stoupat.
V důsledku toho tyto fyzikální vlastnosti rtuti brání jejímu vzestupu v tenkých skleněných trubicích, na rozdíl od vody.
Rozdíly mezi vodou a rtutí
1. Povrchové napětí: Voda má vysoké povrchové napětí, které jí umožňuje stoupat v tenkých skleněných trubkách. Tato vlastnost je způsobena vodními molekulami, které se navzájem spojují a vytvářejí film na povrchu kapaliny. Rtuť má naopak nízké povrchové napětí, takže se v trubkách nezvedá.
2. Kapilárnost: Voda se při zvedání v tenkých skleněných trubkách smršťuje kvůli vlastnosti kapilárnosti. Kapilární síly způsobené přilnavostí a koagulací molekul vody se sklem překonávají gravitaci a způsobují, že voda stoupá v trubicích. Rtuť naopak nemá kapilárnost, takže nevystupuje v tenkých skleněných trubicích.
3. Parciální tlak: Voda a rtuť se oba odpařují ve svých varných bodech, voda má však vyšší parciální tlak, což usnadňuje její odpařování a zvedání v trubkách. Rtuť má mnohem nižší parciální tlak, takže její odpařování a zvedání ve skleněných trubicích není možné.
4. Hustota: Voda má nižší hustotu než rtuť. To znamená, že při stejném objemu bude voda vážit méně než rtuť. Nižší hustota vody přispívá k jejímu vzestupu ve skleněných trubkách, zatímco vyšší hustota rtuti brání jejímu vzestupu.
Různé fyzikální vlastnosti vody a rtuti tedy vysvětlují, proč voda stoupá v tenkých skleněných trubicích a rtuť ne.
Síly mezimolekulární interakce ve rtuti
Voda a rtuť oba mají úplnou nebo téměř úplnou atomovou vazbu mezi svými molekulami. Síly interakce mezi vodou a rtutí se však značně liší.
Voda je polární molekula, která má elektronegativitu atomů kyslíku vyšší než vodíkové atomy. To vede k tvorbě dipólu v každé vodní molekule, což vytváří síly interakce mezi molekulami. Tyto síly se nazývají dipólové dipólové interakce a jsou zodpovědné za schopnost vody stoupat v tenkých skleněných trubicích.
Na druhé straně je rtuť nekovovým prvkem a netvoří polární molekuly. V molekule rtuti jsou přítomny pouze slabé interakce-van der Waalsovy síly. Tyto síly jsou výrazně slabší než dipólové dipólové interakce, a proto rtuť nevystoupá v tenkých skleněných trubicích.
Rozdíly v silách mezimolekulární interakce voda a rtuť tedy vysvětlují, proč voda stoupá v tenkých skleněných trubicích a rtuť ne.