KAPILARITAS: KARAKTERISTIK DAN CONTOH DALAM AIR - KIMIA - 2025

The kapilaritas adalah properti dari cairan yang memungkinkan mereka untuk bergerak lubang tubular atau permukaan berpori bahkan melawan gravitasi. Untuk ini, harus ada keseimbangan dan koordinasi dua gaya yang terkait dengan molekul cairan: kohesi dan adhesi; keduanya memiliki refleksi fisik yang disebut tegangan permukaan.

Cairan harus dapat membasahi dinding bagian dalam tabung atau pori-pori bahan yang dilaluinya. Ini terjadi ketika gaya adhesi (dinding tabung kapiler cair) lebih besar dari gaya kohesi antarmolekul. Akibatnya, molekul cairan menciptakan interaksi yang lebih kuat dengan atom material (kaca, kertas, dll.) Dibandingkan dengan satu sama lain.

Sumber: MesserWoland melalui Wikipedia

Contoh klasik kapilaritas diilustrasikan dalam perbandingan sifat ini untuk dua cairan yang sangat berbeda: air dan merkuri.

Pada gambar di atas terlihat bahwa air memang naik ke atas dinding tabung, yang berarti memiliki gaya rekat yang lebih besar; sedangkan dengan merkuri terjadi sebaliknya, karena gaya kohesi, ikatan logam, mencegahnya membasahi kaca.

Karena alasan ini, air membentuk meniskus cekung, dan merkuri menjadi meniskus cembung (berbentuk kubah). Perlu juga dicatat bahwa semakin kecil jari-jari tabung atau bagian yang dilalui cairan, semakin besar tinggi atau jarak yang ditempuh (bandingkan tinggi kolom air untuk kedua tabung).

Karakteristik kapilaritas

-Permukaan cairan

Permukaan cairan, katakanlah air, dalam kapiler cekung; artinya, meniskus itu cekung. Keadaan ini terjadi karena resultan gaya yang diberikan pada molekul air di dekat dinding tabung diarahkan ke sana.

Pada setiap meniskus terdapat sudut kontak (θ), yaitu sudut yang membentuk dinding tabung kapiler dengan garis yang bersinggungan dengan permukaan zat cair pada titik kontak.

Gaya adhesi dan kohesi

Jika gaya adhesi cairan ke dinding kapiler melebihi gaya kohesi antarmolekul, maka sudutnya adalah θ <90º; cairan membasahi dinding kapiler dan air naik melalui kapiler, mengamati fenomena yang dikenal sebagai kapilaritas.

Ketika setetes air diletakkan di atas permukaan gelas bersih, air tersebut menyebar ke atas gelas, sehingga θ = 0 dan cos θ = 1.

Jika gaya kohesi antarmolekul berlaku di atas gaya adhesi dinding kapiler cair, misalnya pada merkuri, meniskus akan menjadi cembung dan sudut θ akan bernilai> 90º; merkuri tidak membasahi dinding kapiler dan karena itu mengalir ke dinding internalnya.

Ketika setetes merkuri ditempatkan pada permukaan kaca yang bersih, tetesan tersebut mempertahankan bentuknya dan sudutnya θ = 140º.

-Tinggi

Air naik melalui tabung kapiler hingga mencapai ketinggian (h), di mana berat kolom air mengkompensasi komponen vertikal gaya kohesi antarmolekul.

Semakin banyak air naik, akan tiba titik di mana gravitasi akan menghentikan pendakiannya, bahkan dengan tegangan permukaan yang menguntungkan Anda.

Ketika ini terjadi, molekul tidak dapat terus "memanjat" dinding bagian dalam, dan semua gaya fisik menjadi seimbang. Di satu sisi Anda memiliki kekuatan yang mendorong naiknya air, dan di sisi lain berat Anda sendiri mendorongnya ke bawah.

Hukum Jurin

Ini dapat ditulis secara matematis sebagai berikut:

2 π rϒcosθ = ρgπr ² jam

Dimana ruas kiri persamaan bergantung pada tegangan permukaan, yang besarnya juga berkaitan dengan kohesi atau gaya antarmolekul; Cosθ melambangkan sudut kontak, dan r jari-jari lubang tempat naiknya cairan.

Dan di sisi kanan persamaan kita memiliki tinggi h, gaya gravitasi g, dan massa jenis zat cair; yang akan menjadi air.

Memecahkan kemudian untuk h yang kita miliki

h = (2ϒcosθ / ρgr)

Rumusan ini dikenal sebagai Hukum Jurin, yang mendefinisikan ketinggian yang dicapai oleh kolom zat cair, di dalam tabung kapiler, ketika berat kolom zat cair diimbangi dengan gaya kenaikan oleh aksi kapiler.

-Tegangan permukaan

Air adalah molekul dipol, karena keelektronegatifan atom oksigen dan geometri molekulnya. Hal ini menyebabkan bagian molekul air tempat oksigen berada menjadi bermuatan negatif, sedangkan bagian molekul air yang mengandung 2 atom hidrogen menjadi bermuatan positif.

Berkat ini, molekul-molekul dalam cairan berinteraksi melalui beberapa ikatan hidrogen, menyatukannya. Namun, molekul air yang berada di air: antarmuka udara (permukaan), dikenakan tarikan bersih oleh molekul sinus cairan, tidak dikompensasi oleh tarikan lemah dengan molekul udara.

Oleh karena itu, molekul air di antarmuka dikenakan gaya menarik yang cenderung menghilangkan molekul air dari antarmuka; dengan kata lain, ikatan hidrogen yang terbentuk dengan molekul di dasar menyeret molekul yang ada di permukaan. Jadi, tegangan permukaan berusaha mengurangi permukaan air: antarmuka udara.

Hubungan dengan h

Jika kita melihat persamaan hukum Jurin, kita akan menemukan bahwa h berbanding lurus dengan ϒ; Oleh karena itu, semakin tinggi tegangan permukaan zat cair, semakin besar ketinggian yang dapat diangkat oleh kapiler atau pori suatu bahan.

Dengan cara ini, diharapkan untuk dua cairan, A dan B, dengan tegangan permukaan yang berbeda, yang memiliki tegangan permukaan tertinggi akan naik ke ketinggian yang lebih tinggi.

Dapat disimpulkan sehubungan dengan hal ini bahwa tegangan permukaan yang tinggi adalah karakteristik terpenting yang menentukan sifat kapiler suatu zat cair.

-Radius kapiler atau pori-pori tempat cairan naik

Pengamatan Hukum Jurin menunjukkan bahwa ketinggian yang dicapai cairan dalam kapiler atau pori berbanding terbalik dengan jari-jarinya.

Oleh karena itu, semakin kecil jari-jarinya, semakin besar ketinggian yang dicapai kolom cairan dengan aksi kapiler. Ini bisa dilihat langsung pada gambar di mana air dibandingkan dengan merkuri.

Dalam tabung gelas dengan radius 0,05 mm kolom air per kapilaritas akan mencapai ketinggian 30 cm. Pada tabung kapiler dengan jari-jari 1 µm dengan tekanan hisap 1,5 x 10 ³ hPa (yang sama dengan 1,5 atm) sesuai dengan perhitungan ketinggian kolom air 14 sampai 15 m.

Ini sangat mirip dengan apa yang terjadi dengan sedotan yang menyala sendiri beberapa kali. Menyeruput cairan menciptakan perbedaan tekanan yang menyebabkan cairan naik ke mulut.

Nilai ketinggian maksimum kolom yang dicapai kapilaritas bersifat teoritis, karena jari-jari kapiler tidak dapat direduksi melampaui batas tertentu.

Hukum Poiseuille

Ini menetapkan bahwa aliran cairan nyata diberikan oleh ekspresi berikut:

Q = (πr ⁴ / 8ηl) ΔP

Dimana Q adalah aliran cairan, η adalah viskositasnya, l adalah panjang tabung, dan ΔP adalah perbedaan tekanan.

Ketika jari-jari kapiler berkurang, ketinggian kolom cairan yang dicapai oleh kapilaritas harus meningkat tanpa batas. Namun, Poiseuille menunjukkan bahwa ketika radius menurun, aliran fluida melalui kapiler juga berkurang.

Selain itu, viskositas, yang merupakan ukuran resistansi terhadap aliran cairan nyata, selanjutnya akan menurunkan aliran cairan.

Sudut kontak (θ)

Semakin besar nilai cosθ, semakin besar tinggi kolom air per kapilaritas, seperti yang ditunjukkan oleh Hukum Jurin.

Jika θ kecil dan mendekati nol (0) maka cosθ = 1, sehingga nilai h menjadi maksimum. Sebaliknya jika θ sama dengan 90º maka cosθ = 0 dan nilai h = 0.

Ketika nilai θ lebih besar dari 90º, yang merupakan kasus meniskus cembung, cairan tidak naik oleh kapilaritas dan kecenderungannya untuk turun (seperti yang terjadi pada merkuri).

Kapilaritas air

Air memiliki nilai tegangan permukaan 72,75 N / m, relatif tinggi dibandingkan dengan nilai tegangan permukaan cairan berikut:

-Acetone: 22,75 N / m

-Etil alkohol: 22,75 N / m

-Hexan: 18,43 N / m

-Metanol: 22,61 N / m.

Oleh karena itu, air memiliki tegangan permukaan yang luar biasa, yang mendukung perkembangan kapilaritas sehingga diperlukan untuk penyerapan air dan unsur hara oleh tumbuhan.

Pada tumbuhan

Sumber: Pixabay

Kapilaritas merupakan mekanisme penting untuk naiknya getah melalui xilem tanaman, tetapi kapilaritas itu sendiri tidak cukup untuk mengantarkan getah ke daun pohon.

Transpirasi atau penguapan merupakan mekanisme penting dalam pendakian getah melalui xilem tumbuhan. Daun kehilangan air melalui penguapan, menghasilkan penurunan jumlah molekul air, yang menyebabkan tarikan molekul air yang ada di tabung kapiler (xilem).

Molekul air tidak bekerja secara independen satu sama lain, melainkan berinteraksi dengan gaya Van der Waals, yang menyebabkan mereka naik dan terikat bersama melalui kapiler tanaman menuju daun.

Selain mekanisme ini, perlu dicatat bahwa tanaman menyerap air dari tanah melalui osmosis dan bahwa tekanan positif yang dihasilkan di dalam akar, mendorong dimulainya kenaikan air melalui kapiler tanaman.

Referensi

1. García Franco A. (2010). Fenomena superfisial. Diperoleh dari: sc.ehu.es
2. Fenomena permukaan: tegangan permukaan dan kapilaritas. . Diperoleh dari: ugr.es
3. Wikipedia. (2018). Kapilaritas. Diperoleh dari: es.wikipedia.org
4. Risvhan T. (nd) Kapilaritas pada tumbuhan. Diperoleh dari: academia.edu
5. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (22 Desember 2018). Tindakan Kapiler: Definisi dan Contoh. Diperoleh dari: thinkco.com
6. Ellen Ellis M. (2018). Aksi Kapiler Air: Definisi & Contoh. Belajar. Diperoleh dari: study.com
7. Staf ScienceStruck. (16 Juli 2017). Contoh Yang Menjelaskan Konsep dan Makna Aksi Kapiler. Diperoleh dari: sciencestruck.com