التوتر السطحي هو الطاقة اللازمة لزيادة مساحة سطح سائل لكل وحدة مساحة. نظرًا لأن هذه القوى تختلف اعتمادًا على طبيعة السائل (على سبيل المثال ، الماء مقابل البنزين) أو المواد المذابة التي يحتوي عليها (على سبيل المثال ، المواد الخافضة للتوتر السطحي مثل المنظفات) ، فإن لكل محلول قيم توتر سطحي مختلفة.
لنلقِ نظرة على مثال: في كل مرة يتم فيها ملء كوب من الماء حتى أسنانه تقريبًا ، يمكن ملاحظة أن مستوى الماء في الكوب أعلى من ارتفاع الكوب. يمكنك أيضًا أن ترى أن الماء المنسكب قد شكل بركًا ترتفع فوق السطح. الظاهرتان الموصوفتان ترجعان إلى التوتر السطحي.
بشكل حدسي أكثر ، التوتر السطحي هو ميل السائل لاحتلال أصغر مساحة ممكنة من السطح. هذا الميل هو العامل الرئيسي في عمل الشعيرات الدموية أو حركة الشعيرات الدموية . العمل الشعري هو نتيجة القوى المتماسكة بين الجزيئات ، أي ميل الجزيئات للبقاء معًا والالتصاق ببعضها البعض.
قوى التماسك وقوى الالتصاق
ترتبط قوى التماسك وقوى الالتصاق ارتباطًا وثيقًا بالتوتر السطحي. تظهر هذه القوى عندما يكون للمواد كتلة ، أي أنها خصائص عيانية ، لذلك لا تلعب دورًا عند أخذ الذرات أو الجزيئات الفردية في الاعتبار.
- قوى التماسك . إنها القوى التي تربط الجزيئات معًا. إذا كانت قوى التماسك قوية ، فإن السائل يميل إلى تكوين قطرات على السطح.
- قوى الالتصاق . إنها القوى التي يتم بذلها بين جزيئات السائل والسطح. إذا كانت قوى الالتصاق قوية ، يميل السائل إلى الانتشار عبر السطح.
وبالتالي ، إذا كانت قوى التماسك أقوى من قوى الالتصاق ، فإن السائل سيحافظ على شكله ، ولكن إذا حدث العكس ، فسوف ينتشر السائل ، وبالتالي يزيد من مساحة سطحه. أي مادة تضاف إلى سائل تزيد من مساحة سطحه تسمى عامل ترطيب.
عوامل الترطيب هي المواد التي تقلل من التوتر السطحي للسائل وتتسبب في انتشاره على شكل قطرات على سطح ما ، مما يزيد من قدرة تشتت السائل المذكور.
المنظور الجزيئي
يوجد في عينة الماء نوعان من الجزيئات: تلك الموجودة على السطح الخارجي للعينة (الجزيئات الخارجية) وتلك الموجودة بالداخل (الجزيئات الداخلية). تنجذب الجزيئات الداخلية إلى كل الجزيئات من حولها ، بينما الجزيئات الخارجية تنجذب فقط إلى الجزيئات الأخرى الموجودة على السطح وتلك الموجودة أسفلها. هذا يجعل حالة الطاقة للجزيئات الداخلية أقل كثافة من تلك الموجودة في الجزيئات الخارجية. وبالتالي ، تحافظ الجزيئات على مساحة سطح صغيرة ، مما يسمح لمزيد من الجزيئات بالحصول على حالة طاقة أقل. هذه الظاهرة ناتجة عن التوتر السطحي ، ومن أفضل الطرق للتحقق من وجودها.
تنجذب جزيئات الماء لبعضها البعض بسبب الخاصية القطبية للماء. نهايات الهيدروجين موجبة ، في حين أن نهايات الأكسجين سالبة ، وتترابط معًا ، الأكسجين السالب مع الهيدروجين الموجب. لكسر هذه الروابط بين الجزيئية ، هناك حاجة إلى قدر معين من الطاقة ، وهو بالضبط التوتر السطحي. الشيء نفسه ينطبق على السوائل الأخرى ، حتى تلك التي تقاوم الماء ، مثل الزيت. هناك قوى أخرى تعمل في السائل مثل قوى فان دير فال ، والتي تمارس بين جزيئات السائل.
استمرارًا لمثال الماء ، فإن توتره السطحي مرتفع جدًا. في الواقع ، يمكن أن يتسبب التوتر السطحي للماء في جعل مواد أكثر كثافة من الماء نفسه تطفو فوقها. بفضل التوتر السطحي ، يمكن لبعض الكائنات الحية أن تمشي على سطح الماء حرفيًا. مثال على ذلك هو البعوض المائي أو صانع الأحذية ، والذي يمكن أن يمر عبر سطحه بسبب القوى الجزيئية لجزيئات الماء ولأن وزن البعوضة يتوزع بين أرجلها. يسمح التوتر السطحي أيضًا بتكوين القطيرات التي نراها باستمرار في الطبيعة.
أمثلة أخرى على التوتر السطحي
يشكل المشروب الكحولي أخاديدًا صغيرة في الزجاج بسبب التفاعل بين قيم التوتر السطحي المختلفة للإيثانول والماء ، والتبخر الأسرع للكحول مقارنة بالماء.
ينفصل الزيت والماء لأن التوتر السطحي لهذه السوائل مختلف. في هذه الحالة ، المصطلح هو “شد الواجهة” ، ولكنه ببساطة نوع من التوتر السطحي بين سائلين.
