Довкілля. 6 клас. Григорович

§ 3. Водна поверхня

• У газах молекули речовин притягуються слабко, тому вони «розлітаються», на відміну від молекул у рідинах.

• Тіла, які обертаються орбітами навколо Землі, перебувають у стані невагомості, зокрема на Міжнародній космічній станції.

Поняття про поверхневий натяг

Чому комахи можуть ходити по воді? Чому мильною водою прати набагато ефективніше? Відповіді на ці запитання пов’язані з особливостями поверхні рідин.

Силу, яка зумовлює стягування поверхні рідини, називають поверхневим натягом. Поверхневий натяг можна спостерігати в будь-якій рідині: спирті, бензині тощо. Вода — рідина, у якої поверхневий натяг найбільший, за винятком рідкої ртуті.

На поверхні рідини молекули притягуються одна до одної набагато сильніше.

Під дією сили поверхневого натягу поверхня рідини дещо вигинається, утворюючи начебто плівку, її називають меніск.

Об'єм рідин у вимірювальному посуді визначають за нижньою межею меніска.

Де ми стикаємося з поверхневим натягом?

Окрім виникнення меніску на поверхні рідини, ми доволі часто стикаємося з іншими проявами поверхневого натягу.

Плівка на поверхні води доволі міцна. Тож, у разі потрапляння дрібних предметів у воду, вони можуть утриматися на поверхні. Якщо дуже акуратно покласти сталеву голку на воду, то вона втримується поверхнею.

Якщо краплина води опиняється у стані невагомості, то вона може існувати й без посудини — літати в повітрі. У цьому разі через поверхневий натяг рідина максимально зменшує площу поверхні й краплина набуває форми кулі. Те саме стосується мильних бульбашок. Куля — найбільш «вигідна» форма для рідини.

Дрібні комахи та опале листя також утримуються на поверхні води

Силою поверхневого натягу роса збирається в кулеподібні краплі й утримується на поверхні листя або на павутинні

Якщо акуратно наливати воду в склянку, то можна налити її «з гіркою». Надлишок води не виливається зі склянки, а втримується поверхневою плівкою.

Якщо вичавлювати воду з крапельниці, то вона відривається не одразу, а коли сила поверхневого натягу вже не втримує краплину.

Гідрофобні й гідрофільні речовини

Пригадайте свої відчуття, коли ви торкаєтеся свічки. Чи такі самі будуть відчуття, якщо торкатися скла? Певна річ, у скла і свічки багато різних властивостей. Проте одна з них значною мірою визначає, якими ці тіла будуть відчуватися на дотик. Парафін зі свічки, бензин, олія тощо — це гідрофобні речовини (від грец. hydro — вода, phobos — страх). Такі речовини відштовхують воду, вони зазвичай, жирні на дотик. А от цукор, сіль, скло тощо — гідрофільні речовини (від грец. hydro — вода, philia — любов).

Потрапивши на будь-яку поверхню, краплина води збирається в кулю внаслідок поверхневого натягу. Якщо поверхня добре змочується водою (гідрофільна), то краплина розтікається по ній.

Гідрофобна поверхня відштовхує воду і краплина намагається зберігати форму кулі.

Поверхню гідрофобних і гідрофільних речовин дуже легко відрізнити, якщо на них потрапить краплина води.

Повітря — це також гідрофобне середовище. На поверхні деяких матеріалів трапляються малесенькі ворсинки, які втримують невеличкі пухирці повітря. Краплини води на таких поверхнях поводять себе, як на гідрофобній поверхні (мал. 3.1).

Мал. 3.1. На поверхні листя або на деяких тканинах ворсинки утримують повітря, через що краплини води на них поводяться, як на гідрофобних поверхнях (ефект лотоса)

Характер поверхні посудини також зумовлює форму меніска на поверхні рідини.

Скло — гідрофільний матеріал і вода притягується до нього. Якщо тонку скляну трубку занурити у воду, то вода притягується до скляної стінки і трохи піднімається.

А якщо скляну трубку занурити у ртуть, то ртуть, навпаки, відштовхується від стінок трубки й трохи опускається.

Водна поверхня та прання

Можливо, вам доводилося прати речі. Якщо речовина розчинна у воді, то пляму від неї легко відіпрати навіть без зусиль і застосування спеціальних засобів. А от жирні плями звичайною водою відіпрати неможливо. Жироподібні речовини зазвичай гідрофобні, вони не змочуються водою, тому звичайна вода не може їх змити. Проте інша справа — використання мила або будь-якого іншого мийного засобу.

У різних мийних засобів є спільна ознака — вони містять речовини з особливими молекулами. У цих молекулах поєднані гідрофільна та гідрофобна частини. Такі речовини називають поверхнево-активними речовинами (скорочено ПАР) унаслідок того, що вони зменшують поверхневий натяг води. Так, розчин мила або прального порошку вже не виявляє властивостей води, пов’язаних з її великим поверхневим натягом: поверхнею такого розчину не зможуть бігати комахи та інше. Через наявність ПАР мильна вода також легко утворює піну та видаляє брудні плями.

У молекулах поверхнево-активних речовин наявна невелика гідрофільна частина («головка») та довга гідрофобна («хвіст»).

У воді молекули ПАР збираються на її поверхні, утворюючи ніби частокіл, через що зменшується поверхневий натяг води.

Молекули ПАР оточують частинку бруду. У такий спосіб частинка бруду стає добре розчинною у воді й легко змивається.

КЛЮЧОВА ДУМКА ПАРАГРАФА

Явища за участю води значною мірою зумовлені її великим поверхневим натягом. Гідрофільні речовини добре змішуються та змочують гідрофільні поверхні.

Завдання

ПЕРЕВІРТЕ СЕБЕ

27. Схарактеризуйте причини появи поверхневого натягу.

28. Які явища довкола спричинені поверхневим натягом води?

29. Які речовини називають гідрофільними, а які — гідрофобними? Наведіть приклади.

ІНФОРМАЦІЙНО-ПОШУКОВІ ЗАВДАННЯ

30. Зайдіть інформацію про способи прання в різні часи в різних народів.

ЗАВДАННЯ ДЛЯ ОБГОВОРЕННЯ В ГРУПАХ

31. Учням потрібно було налити в мірний циліндр 17 мл води. Чи впоралися вони із завданням? (На малюнку позначки на циліндрі в мл.)

До завдання 31

32. Визначте об’єм рідини в мірному циліндрі. (На малюнку на циліндрі позначки в мл.)

До завдання 32

33. На світлині можна побачити краплини води на пательні з тефлоновим покриттям. Визначте тефлонове покриття гідрофільне чи гідрофобне.

До завдання 33

34. Пригадайте, у яких явищах виявляється великий поверхневий натяг води. Що зміниться, якщо до води додати поверхнево-активні речовини?

35. Поява піни безпосередньо пов’язана з наявністю ПАР у розчинах. Наведіть приклади з власного життя, де ви спостерігали появу піни, проте не використовували мило, пральний порошок або інший мийний засіб. Висловіть припущення, звідки в цих випадках з’являються ПАР.

ДОСЛІДЖЕННЯ

Дослідження витікання води з тонкого отвору

Вам знадобляться піпетки з різним розміром отвору на кінці. Можна використати звичайну медичну піпетку та піпетку, яку використовують для хімічних дослідів, із невеликим об’ємом (1-10 мл). Також знадобляться водопровідна вода, розчин мила (близько 1 г мила на 100 г води) та будь-яка інша рідина (одеколон, саліциловий спирт, бензин тощо).

У високу склянку налийте досліджувану рідину. Занурте в неї піпетку та дочекайтеся, поки вона заповниться рідиною. Вийміть піпетку та спостерігайте за витіканням рідини з піпетки. У спостереженнях відзначте максимальний розмір краплини, яка утворюється на кінці піпетки, та проміжки часу між відриванням краплин від піпетки. Яка сила втримує краплю на носику піпетки?

Повторіть експеримент, використовуючи піпетку з меншим розміром отвору. Як змінилися розмір краплин та проміжок часу, необхідний для відривання краплі з носика?

Використовуючи дві піпетки, дослідіть так само розчин мила та будь-яку іншу рідину. У спостереженнях відзначте розмір краплин та час їх формування. Що можна сказати про різницю поверхневого натягу досліджених вами рідин?

Дослідження втримування невеликих предметів на поверхні рідин

Налийте воду в широку посудину. Невелику голку помістіть на аркуш паперу (бажано фільтрувального, але можна використати туалетний). Аркуш має бути якомога меншого розміру, але щоб голка на нього вміщувалася повністю.

Аркуш паперу разом із голкою акуратно помістіть на поверхню води. Спостерігайте за подальшим змінами, поки папір просочується водою.

Якщо вийшло все зробити так, щоб голка трималася на поверхні, то продовжуйте дослідження. Для цього акуратно, ближче до стінки посудини, долийте 2-3 мл розчину мила або будь-якого іншого мийного засобу. Спостерігайте за змінами. Обґрунтуйте ваші спостереження.