Povrchové napětí vody, kapilární jevy

1         Úkol

1.1       Pozorujte povrchové napětí a vzlínavost kapalin.

2         Časová dotace

2 vyučovací hodiny

3         Pomůcky a materiál

Miska s vodou, drobné mince, drátěná smyčka, kancelářské sponky, saponát a tekuté mýdlo, hypermangan, trubičky s různým průměrem, prkénko, cihla, filtrační papír, petrolej, olej, glycerín, různá textilní vlákna, jehly, pinzeta, zemina, kádinka

4         Hlavní a dílčí cíle

4.1 Základní cíle

4.1.1        Zkoumání závislosti povrchového napětí na teplotě a druhu kapaliny, ověření kapilární elevace a deprese u různých kapalin.

4.2 Vedlejší cíle

4.1.2        Schopnost využívat vlastností kapalin – povrchového napětí, kapilární elevace a deprese v praktickém životě.

5         Mezipředmětové vztahy a přesahy

Biologie, chemie, ekologie

6         Obecný úvod k tématu

Vlastnosti kapalin souvisí s vlastnostmi molekul. Molekuly kapalin se udržují přibližně ve stejných vzdálenostech od sebe, nejsou vázány na jedno místo a mohou po sobě klouzat. Mezi molekulami působí odpudivé a přitažlivé síly.

Nalijeme-li vodu do nějaké nádoby, těleso vody zaujímá určitý objem a od okolního prostoru je odděleno jednak stěnami nádoby a jednak hladinou. U klidné kapaliny považujeme hladinu za část vodorovné roviny. Na hladině vody je povrchová blána, která má určitou pevnost a pružnost. Fyzikální veličina, která popisuje vlastnosti povrchové blány, se nazývá povrchové napětí. Čím je povrchové napětí větší, tím snáze se na jeho povrchu mohou udržet různá tělesa.

Mýdlový roztok má menší povrchové napětí než voda, a proto je pružná blána na povrchu vody s mýdlem poddajnější, voda se snáze dostane k povrchu rukou a umožní důkladné umytí.

Síly v kapalině:

1)      Na molekulu uvnitř kapaliny působí silami okolní molekuly.

2)      U povrchu působí silami molekuly vzduchu.

3)      U stěny nádoby působí silami molekuly látky nádoby:

Jestliže výsledná síla směřuje do nádoby, kapalina a) smáčí stěnu nádoby.

Jestliže výsledná síla směřuje do kapaliny, kapalina b) nesmáčí stěnu nádoby.

Vložíme-li do kapaliny úzkou trubičku-kapiláru (s průměrem menším než 1mm), pozorujeme:

a) Kapalina smáčí stěnu – v kapiláře vystoupí kapalina nad úroveň hladiny kapaliny v nádobě – jev se nazývá kapilární elevace.

b) Kapalina nesmáčí stěnu – v kapiláře je hladina kapaliny níže, než je hladina v nádobě – jev se nazývá kapilární deprese.

Využití kapilárních jevů:

–přivádění vody do nejvyšších částí rostlin

• vzlínání vody v textilních látkách, v savém papíru
• vzlínání vody v půdě
• vzlínání vody do stěn domů při špatné izolaci stěn proti vlhkosti
• nasávání kapalin do knotů
• vzlínání roztavené pájky pro vytvoření dokonalých spojů

7         Pracovní postup

Žáci se rozdělí do 2–3členných skupin, každá skupina si navrhne svůj záznamový arch.

7.1       Pozorování velikosti povrchového napětí:

• Na klidný volný povrch vody položíme opatrně minci. Povrch vody se na obvodu mince prohne, mince se však nepotopí (její hustota je větší než hustota vody).
• Okraj sklenice dobře očistíme a naplníme ji přesně po okraj čistou vodou. Vodu lijeme opatrně kádinkou, abychom nezvlhčili okraj sklenice. Pak středem sklenice vhazujeme do vody opatrně mince, kancelářské sponky apod. Povrch vody začne stoupat, ale voda nevyteče. Vytvoří vypuklou plochu působením povrchového napětí.
• Na hladinu vody v misce položíme minci. Potom přidáme do vody několik kapek saponátu. Mince se potopí. Pokus můžeme opakovat s kafrem.

7.2       Pozorování vzlínavosti

• Do misky s vodou postavíme cihlu na nejmenší podstavu. Pozorujeme, jak vysoko vystoupí voda cihlou za půl hodiny.
• Přes okraj sklenice s vodou zavěsíme různá vlákna tak, že jeden konec je ponořen do vody, druhý vně sklenice sahá níž, než je volný povrch vody ve sklenici. Pozorujeme výsledky u jednotlivých vláken.
• Do jedné trubičky (o světlosti 3 cm) nasypeme zkypřenou zem, do druhé trubičky ji upěchujeme. Postavíme obě trubičky se zemí do misky s vodou a pozorujeme v nich vzlínání vody.

Závěr pozorování

Jak lze ovlivnit povrchové napětí?

Kde se v praktickém životě setkáváme se vzlínavostí vody?

Doprovodné úkoly:

1)      Na hladinu studené vody v misce opatrně položte minci. Pozorujte hladinu vody v okolí mince. Druhou minci do vody pusťte kolmo.

2)      Na hladinu vody v misce opatrně položte dvě zápalky tak, aby byly rovnoběžné a vzdálenost mezi nimi byla si 1 cm. Pozorujte zápalky.

3)      Položte na hladinu vody v misce dvě zápalky, aby byly vzdálené asi 1 cm, a dotkněte se hladiny mezi nimi další zápalkou, namočenou však v saponátu. Pozorujte pohyb zápalek.

4)      Sklenku na víno naplňte až po okraj vodou. Potom do ní opatrně vhazujte špendlíky. Pozorujte přitom ze strany hladinu vody ve sklence.

5)      Na hladinu vody v nádobě položte několik zápalek. Vezměte špejli, navlhčete její konec a pak mokrý konec špejle ponořte do moučkového cukru. Tímto oslazeným koncem špejle se dotkněte hladiny mezi zápalkami. Pozorujte pohyb zápalek.

6)      Hladinu vody v misce lehce posypte hladkou moukou. Pak do středu misky kápněte tekuté mýdlo. Pozorujte jev a vysvětlete jej.

7)      Kteří vodní živočichové využívají povrchové napětí k pohybu po vodní hladině? Co se s těmito živočichy stane, když někdo umývá auto u rybníka?

8)      Do skleničky s bílými květinami přidejte trochu inkoustu (modrý nebo červený). Druhý den pozorujte květiny. Vysvětlete své pozorování.

9)      Postavte bílou křídu do misky s obarvenou vodou. Pozorujte a vysvětlete jev.

Křížovka

Tajenka: Úzká trubička ponořená do kapaliny

Legenda:

1. Fyzikální veličina, kterou vyjadřujeme v pascalech.
2. Vzdušný obal Země.
3. Zkrácený název pro kapalné látky.
4. Teploměr, jehož základem jsou dva různé kovy.
5. Látky, které jsou nejvíce stlačitelné.
6. Materiály, ze kterých jsou zhotovena tělesa.
7. Pohyb kapalin a plynů.
8. Jednotka elektrického obvodu.

Řešení:

8         Metodické poznámky

Na jednotlivé vyučovací hodiny připravíme stanoviště s dílčími úkoly a skupiny se u stanovišť prostřídají.