Pintajännitysteoriaa
muodostavat tiukasti toisiinsa liittyneiden vesimolekyylien kerroksen, jonka tiheys on suurempi kuin veden alapuolella. Molekyylien vetovoima keskenään on sama kaikkiin suuntiin, kun ympärillä
on samoja molekyylejä. Kuvassa olevat nuolet eivät ole voimavektoreita, vaan ne kuvaavat vesimolekyylien välistä vuorovaikutusta.
|
Tätä vetovoimaa kutsutaan koheesioksi (siniset vesimolekyylit). Niillä vesimolekyyleillä, jotka muodostavat veden pinnan ei ole samoja molekyylejä yläpuolella. Ne ovat tiukemmin "liittyneet yhteen" pinnan molekyylien kanssa. Näiden vetovoima naapurimolekyylien kanssa ei ole tasapainossa, koska ne vetävät puoleensa vain alapuolella olevia molekyylejä. Tätä ”epätasapainoista” vetovoimaa kutsutaan adhee- sioksi (punaiset vesimolekyylit). Tästä syystä veden pinnalle muodostuu ohut ja joustava "kalvo"/"filmi", joka kestää pienen hyönteisen tai kevyen esineen painon. Samasta syystä vesipisaran muoto on pyöreä
|
|
Astiaan on ripoteltu ohut kerros esim. kanelia, jotta veden pintakalvo erottuisi ( DEMO 1 ja DEMO 2). Kuvassa näkyy hyvin veden pin- nan kaareutuminen kolikon painosta. Alumiinikolikko on sen verran kevyt, että sen massan aiheuttama painovoima ei riitä rikkomaan veden pintakalvoa. Sama asia on esitetty myös alla olevassa piirroksessa (pallot kuvaavat vesimolekyylejä). |
Pintajännityksen yksikkö voi olla N/m (= voima metriä kohti) tai J/m2 (= energia pinta – alaa kohti). Eli pintajännitys on riippuvainen siitä voimasta, joka tarvitaan kalvon rikkomiseen ja
pintakontaktin pituudesta. Jälkimmäinen yksikkö (J/m2) tarkoittaa sitä, että pintajännitys voidaan ajatella myös pintaenergiana. Pintajännitys on rajapintailmiö, jossa vedellä on pyrikimys
pienentää pinta - alaansa saavuttaakseen energiaminimin. Näin ollen vesi pyrkii ilmassa (tai kaasussa yleensä) pallomaiseen muotoon saadakseen mahdollisimman pienen pinta - alan ( DEMO 4 ).
Veden korkeampi lämpötila alentaa pintajännitystä ja vesi tuntuu ”märemmältä”. Tällöin vesimolekyylien keskinäinen vetovoima myös vähenee. Lämmön lisääntyessä molekyylien liike kasvaa,
jolloin se antaa vesimolekyyleille paremman mahdollisuuden tunkeutua toisen materiaalin huokosiin ja ”halkeamiin” kuin jäädä "kiinni " vesimolekyyyleihin. Tunkeutuminen paranee huomattavasti,
kun veteen lisätään pesuainetta. Pesuaineet vähentävät veden pintajännitystä ( DEMO 3).
Pinta – aktiivisen aineen osuuden (= pitoisuuden) kasvaessa liuoksessa, pienenee veden pintajännitys. Kun tämä pitoisuus saavuttaa kullekin aineelle tyypillisen raja – arvon, alkaa liuoksessa
muodostua misellejä. Nämä misellit muodostuvat siten, että pinta – aktiivisen aineen hydrofobiset osat kerääntyvät yhteen. Tällöin hydrofiiliset osat muodostavat misellin. Vasemmanpuoleinen
kuva näyttäää misellin. Oikeanpuoleinen kuva kertoo mitä lialle tapahtuu, kun se joutuu pesuainetta sisältävään veteen. Hydrofobiset päät pinta-aktiivisesta aineesta (pesuaineesta) kiinnittyvät
likaan ja hydrofiiliset päät muodostaa misellin lian ympärille samalla irrottaen sen kankaan pinnalta.
Kokeellisia demonstraatioita pintajännityksestä:
Pintajännityskalvon toteaminen vedessä (DEMO 1)
Laimean saippualiuoksen lisäys (DEMO 2)