Lekce II / 08 - Povrchové napětí 2

Cíl lekce:

Žáci popíší, co je to kapalina, co je povrchové napětí, kde se nachází a jeho význam v přírodě. Na příkladech zjistí, které látky povrchové napětí kapalin ruší.

Zeptejte se Vašich dětí:

• Vyjmenujte tři základní skupenství.
• Uveďte příklady kapalin.
• Dokážete vyjmenovat základní vlastnosti kapalin?
• Co jsou to tenzidy?
• Jak je možné, že pletené obinadlo drží vodu v PET kelímcích i přesto, že je plná děr?
• Proč jarová voda z PET kelímků vyteče a obinadlo ji neudrží?
• Znáte nějaké živočichy využívající povrchového napětí vody?
• Co se stane s živočichy rybníka, pokud v něm umyjeme auto?

Kapalina

Kapalina (kapalná látka) je jedno ze skupenství látek, při kterém jsou částice látky relativně blízko u sebe, ale nejsou vázány v pevných polohách a mohou se pohybovat v celém objemu.

Základní vlastnosti kapalin:

• Jsou tekuté – dají se přelévat
• Nemají stálý tvar  - přizpůsobují se nádobě
• Zachovávají si stálý objem – a to i při změně tvaru nádoby
• Tvoří kapky – díky přitažlivým silám mezi částicemi
• V klidu vytvářejí v tíhovém poli Země volný vodorovný povrch
• Jsou prakticky nestlačitelné – díky vzájemným odpudivým silám mezi molekulami kapaliny
• Odpudivým silám mezi molekulami kapaliny

Molekulární síly v kapalině
Obrázek WassermoleküleInTröpfchen od Booyabazooka[Public domain], via Wikimedia Commons

Vlastnosti kapalin vyplývají z vlastností molekul. Pokud se nachází vybraná molekula uvnitř kapaliny, nachází se ve volném rovnovážném stavu. Pokud se ale vybraná molekula nachází v tenké vrstvičce hraničící s jiným prostředím, vede to ke vzniku vnitřního tlaku, povrchového napětí a k tomu, že se povrch kapaliny chová jako pružná blána.

Kapka vody
Obrázek drop-of-water-drip-blade-of-grass-361097 od Josch13 [Public Domain], via Pixabay

Povrchové napětí

Povrchové napětí je efekt, při kterém se povrch kapalin chová jako elastická fólie a snaží se dosáhnout co možná nejhladšího stavu s minimální plochou. To znamená, že se povrch kapaliny snaží dosáhnout stavu s nejmenší energií. Čím větší je povrchové napětí, tím „kulatější“ je kapička této kapaliny.

Povrch kapaliny se tedy chová tak, jako by byl tvořen velmi tenkou pružnou vrstvou, která se snaží stáhnout povrch kapaliny tak, aby měl při daném objemu kapaliny co nejmenší plochu. Pokud by na kapalinu nepůsobily vnější síly, měla by kulový tvar, protože koule má ze všech těles stejného objemu nejmenší povrch. Při působení vnějších sil je situace poněkud složitější. Vždy se však volný povrch kapaliny snaží snížit velikost celkového povrchu na co možná nejmenší možnou míru. To je důvod, proč je hladina klidné vody v otevřené nádobě (v gravitačním poli) vodorovná, neboť jakýkoli jiný tvar volné hladiny kapaliny by zvětšil celkový povrch kapaliny. Jsou-li vnější síly velmi malé proti silám povrchového napětí, bude se kapalina snažit zaujmout přibližně kulový tvar. To se děje např. u drobných kapiček tvořících mlhu, u kapek rtuti apod.

Povrchové napětí kapaliny závisí nejen na druhu kapaliny, ale také na prostředí, které se nachází nad jejím volným povrchem. S rostoucí teplotou se povrchové napětí kapaliny vůči danému prostředí snižuje. Snížení povrchového napětí vody přidáním jiné látky (tzv. smáčedla) nebo zvýšením teploty vody se projevuje např. při praní prádla, mytí nádobí atd. Tímto způsobem „upravená“ voda se lépe dostává ke špíně, která lpí na tkaninách, nádobách atd. a špínu rychleji rozpouští a smývá ji.

Příklady využití povrchového napětí
Obrázky Sur le Cher od Daniel Jolivet) [CC BY SA 2.0], via Flickr; 2006-01-15 coin on water retouched od Roger McLassus (Own work) [GFDL nebo CC-BY-SA-3.0], via Wikimedia Commons

Význam povrchového napětí

Povrchové napětí způsobuje, že některé druhy hmyzu (například vodoměrky) se mohou pohybovat po vodní hladině. Některé předměty, např. žiletky nebo kousek alobalu, lze položit na vodní hladinu, aniž by se potopily; když je ale potopíme dostatečně hluboko, klesnou až na dno.

Smáčení

Velké povrchové napětí ztěžuje proces smáčení. Například destilovaná voda smáčí látky obsažené v oblečení velmi špatně, perlí. Toto je jeden z důvodů, proč se při praní přidávají prací prostředky, které svými mýdlovými látkami (tenzidy) smáčení usnadňují.

Jiným příkladem je mytí mastných rukou. Mytí mastných rukou je obtížné, protože voda nesmáčí mastný povrch. Proto používáme mýdlo. V mýdlovém roztoku jsou síly mezi molekulami menší než síly mezi molekulami vody. Důsledkem je jednak snížení povrchového napětí vody, jednak to, že roztok smáčí mastný povrch.

Ekologická katastrofa

Ekologická katastrofa je definovaná jako situace, při níž dojde k narušení rovnováhy živého systému. Podmínky biologické reprodukce v systému zanikají. K tomu může dojít jednorázovým extrémním zásahem (např. úniky ropy) nebo tzv. “plíživě“ – dlouhodobým působením stresorů, kdy se systém postupně (a pro nás často nečekaně) ocitá ve stádiu vyčerpání. Mezi tyto stresory patří např. šíření pouští, větrné smrště - hurikány, tornáda, uragány.

V rámci porušení povrchového napětí vody se jedná především o únik tenzidů do vodního prostředí. Toto škodí celému ekosystému. Např. pokud umyjeme auto v rybníce za použití autošamponu, zrušíme povrchové napětí vody, zemřou živočichové využívající ke svému pohybu a životu právě povrchově aktivní blanku a stejně tak vodní živočichové budu mít omezený příjem potravy (v důsledku jejich částečného vyhynutí).

Ekologické katastrofy
Obrázky Rio tinto river CarolStoker NASA Ames Research Center od Carol Stoker, NASA [Public domain, PD-NASA], via Wikimedia Commons;
Deepwater Horizon Offshore Drilling Platform on Fire od Ideum - ideas + media [CC BY-SA 2.0]

Pokud vás téma zaujalo a chcete se dozvědět více:

• http://cs.wikipedia.org/wiki/Kapalina
• http://cs.wikipedia.org/wiki/Povrchov%C3%A9_nap%C4%9Bt%C3%AD