Pintajännitysteoriaa

by Pirjo Heidi Hannele Häkkinen last modified Apr 11, 2013 02:01 PM

 

Aloitussivulle

Veden pinnalla pintajännitys on helposti nähtävissä. Vesimolekyylien väliset koheesiovoimat (koossapitävät voimat) aiheuttavat pintajännityksenä tunnetun ilmiön. Pinnalla olevat vesimolekyylit

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).

valokuva kolikosta ja pintajannityksestä




veden pinta

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).

Pesuaineet ovat yksi esimerkki pinta – aktiivisista aineista.  Näillä pinta – aktiivisilla aineilla on vesiliuoksessa hydrofobinen(= vesipakoinen) osa sekä hydrofiilinen(= vesihakuinen) osa.

Pinta - aktiivinen aine

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.

Monet veteen liukenemattomat aineet kuten esim.  rasvahapot leviävät veden pinnalle yhdeksi ohueksi molekyylikerrokseksi. Tämä kerros pienentää veden pintajännitystä.

 

Kokeellisia demonstraatioita pintajännityksestä:

Pintajännityskalvon toteaminen vedessä (DEMO 1)

Laimean saippualiuoksen lisäys (DEMO 2)

Kolikon kellunta ja pudotus (DEMO 3)

Pintajännitys saippuakuplassa (DEMO 4)