التوتر السطحي Surface Tension
- تنشأ ظاهرة التوتر السطحي عن عدم تعادل القوى بين الجزيئات الموجودة على سطح السائل. فمثلاً:
- جـزيـئـات السـائـل مـثل (A) والتي هي في وسط السائل تكون في حـالة اتزان ، لأن قـوى التجاذب المؤثرة على الجزيء من جميع الاتجاهات (قوى متزنة) ، وبذلك فإن هذا الجزيء لن يسحب في أي اتجاه بل يبقى متزنا .
- جزيئات السائل مثل (D) والتي تقع على سطح السائل فإنها تتعرض لقوى نجاذب غير متزنة ، وبذلك فهي تنجذب نحو وسط السائل (قـوى غـيـر مـتزنة) وهذا يؤدي إلى انقاص مـسـاحـة سطح السائل أقل ما يمكن ، وفي نفس الوقت يحاول السائل زيادة مساحة السطح والتغلب على الميل نحو تقليل المساحة وهو ما يسمى بالتوتر السطحي ، وهذا يجعل الطبقة السطحية كما لو كانت غشاء رقيق.
تعريف التوتر السطحي γ
- التوتر السطحي هو الشغل اللازم لزيادة مساحة السطح بمقدار (1cm2).
- أو هو القوة اللازمة لتمزيق السطح على طول مقداره (1cm).
وحدات قياس التوتر السطحي
- إيرج / سم2 (erg . cm-2)
- نيوتن / م (N . m-1)
- داين / سم (dyne . cm-1 )
العوامل المؤثرة على التوتر السطحي
(1) طبيعة السائل (التجاذب بين جزيئات السائل)
- كلما زاد التجاذب بين جزيئات السائل يزداد التوتر السطحي وبالتالي يعتبر التوتر السطحي مقياساً للقوى بين الجزيئات. ويمكن توضيح ذلك كما يلي : -
- التوتر السطحي للسوائل القطبية مرتفع ، فمثلاً التوتر السطحي للماء كبير ويساوي 73erg. cm-2 عند 20C° ، وذلك بسبب أن الماء جزيء قطبي بين جزيئاته روابط هيدروجينية ، وبالتالي فإن قوى التجاذب بين جزيئات الماء كبيرة.
- أما الجزيئات غير القطبية مثل بعض المركبات العضوية فـتـوترها السطحية ضعف التجاذب بين جزيئاتها.
(2) درجة الحرارة
يقل التوتر السطحي بازدياد درجة الحرارة . لأنه عند درجة مرتفعة تزداد الطاقة الحركية لجزيئات السائل فتقل القوى نسبياً بين جزيئات السائل ، فيقل بذلك التوتر السطحي.
(3) وجود مواد ذائبة
- الأملاح غير العضوية تزيد من التوتر السطحي للماء قليلاً.
- المواد العضوية مثل الصابون والكحول والحموض والاسترات تقلل من التوتر السطحي للماء.
- وللمعلومية فإن وجود مواد ذائبة في السائل تحتوي على شحنات كهربية تقلل التوتر السطحي للسوائل .
قاعدة جيبس Gibb's rule
المواد الذائبة التي تقلل من التوتر السطحي للسائل تتركز على سطحه بدرجه أكبر مما هي في الداخل.
وهذا يفسر انسداد الأوعية الدموية إذا دخلها كمية من الهواء ، لأن دخول الهواء يكون سطح فاصل بين الدم والهـواء ، وعندها تتـجـمع المواد الموجودة في الدم وتحيط بالـهـواء وتمنع امتصاصه مما يؤدي إلى انسداد الأوعية الدموية.
قياس التوتر السطحي باستخدام الخاصية الشعرية
عند توقف السائل عن الارتفاع داخل الانبـوبة الشعرية فـإن قـوة الـجـذب للأسفل (قـوة عـمـود السائل) تساوي قوة الشد للأعلى كما يلي:
وحيث ان العلاقة بين نصف قطر الانبوبة (r) ونصف قطر التقعر ( َr) هو :
وبالتعويض عن قيمة ( َr):
القانون المستخدم لقياس معامل التوتر السطحي
γ = معامل التوتر السطحي بوحدة erg/cm2
r = نصف قطر الانبوبة الشعرية بوحدة (cm)
d = كثافة السائل
g = عجلة الجاذبية الأرضية بوحدة 2-cm . s
θ = زاوية البلل
h = ارتفاع العمود
ظواهر طبيعية ترجع إلى التوتر السطحي
(1) ارتفاع السوائل وانخفاضها في الأنابيب الشعرية . مثل ارتفاع الماء تلقائياً في انبوبة شعرية مغمورة في الماء وهذه الخاصية مهمة جدا للنبات لأنها المسئولة عن ارتفاع الماء المحمل بالغذاء عبر الجذور والسيقان.
(2) إضـافـة المنظفات الصناعية أو الصابون للمـاء لغسل الملابس لأنها تعمل على تقليل التوتر السطحي بين الماء والدهون ، بحيث تسمح للماء بإحاطة الجزيئات الدهنية وإزالتها من الملابس مثلاً .
(3) إضافة مواد خاصة لمعاجين الأسنان أو معاجين الحلاقة لتقليل التوتر السطحي حتى يسهل للمعجون أن ينتشر على السطح المراد تطهيره.
(4) إضافة مواد خاصة للملابس تزيد من التوتر السطحي حتى لا يبتل القماش ولذلك هذا النوع من الملابس (ضد الماء) أو مانع لبلل الماء ( (Water Proof ) .
(5) تضاف بعض المواد العضوية إلى مساحيق الغسيل لتقليل التوتر السطحي وذلك لزيادة الرغوة مما يسهل عملية التنظيف
(6) تأخذ قطرات السوائل شكلاً كروياً وذلك لأن قوى التوتر السطحي تعمل على تقليص السطح بحيث يأخذ أقل مساحة سطحية ، وكما هو معلوم أن الشكل الكروي هو أقل مساحة سطحية لحجم معين من السائل ، ولذلك يتخذ السائل شكلاً كروياً.
(7) عندما نضع سائلاً على سطح صلب فإنه قد يتبلل وقد لا يتبلل كما يلي:
عند سكب قليلا من الماء على سطح زجـاجـي نلاحظ انـتـشـار الماء على سطح الزجـاج وعند إمالة اللوح الزجاجي تبقى بعض قطرات الماء عالقة به ، وفي هذه الحالة نقول أن الماء قـد بلل سطح الزجاج .
عند سكب قليلاً من الزئبق على سطح زجاجي نلاحظ أن الزئبق لا ينتشر على سطح الزجاج ، بل يبقى على شكل كريات ، وعند إمالة اللوح الزجاجي فإن كريات الزئبق تسقط ، ، وفي هذه الحالة نقول أن الزئبق لا يبلل سطح الزجاج .
(8) عند وضع إبرة معدنية على سطح الماء فإنها تطفو على سطح الماء مع أن كثافة المعدن أعلى من الماء ، وسبب ذلك هو التوتر السطحي للماء.