Номер 2, страница 163 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

2. Известно, что капиллярные явления играют важную роль в природе и технике. Приведём некоторые примеры:

1) подъём жидкости в песке и грунте;

2) гидроизоляция при строительстве;

3) подъём керосина по фитилю в керосиновой лампе;

4) вытирание рук полотенцем;

5) движение насекомых по поверхности воды.

Дополните список предложенных выше примеров. Дайте пояснения каждого из них.

Установите связь между явлением смачивания и капиллярным эффектом.

Расскажите о методе, используемом в химии для разделения вещества, основанном на явлении капиллярности.

Дополните список предложенных выше примеров. Дайте пояснения каждого из них.

Капиллярные явления, или капиллярность, — это способность жидкостей изменять уровень в узких трубках (капиллярах) или пористых телах. Это явление обусловлено силами поверхностного натяжения и взаимодействием жидкости с твёрдым телом (смачиванием или несмачиванием).

Рассмотрим и поясним предложенные примеры, а также дополним список.

1) Подъём жидкости в песке и грунте. Промежутки между частицами песка и грунта образуют сложную сеть тончайших каналов-капилляров. По этим капиллярам грунтовые воды, подобно воде в тонкой трубочке, поднимаются вверх, питая корни растений.

2) Гидроизоляция при строительстве. Этот пример демонстрирует борьбу с капиллярностью. Строительные материалы (бетон, кирпич) пористые и способны впитывать влагу из фундамента или грунта за счёт капиллярного эффекта, что приводит к сырости и разрушению. Для предотвращения этого между фундаментом и стенами прокладывают слой гидроизоляционного материала (например, рубероида), который не смачивается водой и прерывает капиллярный подъём влаги.

3) Подъём керосина по фитилю в керосиновой лампе. Фитиль состоит из множества волокон, образующих узкие каналы. Керосин хорошо смачивает материал фитиля, и за счёт капиллярных сил он поднимается по этим каналам к верхнему концу фитиля, где и горит.

4) Вытирание рук полотенцем. Ткань полотенца, особенно махрового, состоит из волокон, между которыми есть множество мелких пор и каналов. Вода хорошо смачивает волокна (например, хлопок) и благодаря капиллярному эффекту втягивается с поверхности рук вглубь ткани.

5) Движение насекомых по поверхности воды. Важно отметить, что этот пример не является проявлением капиллярности. Способность некоторых насекомых (например, водомерок) держаться и передвигаться по воде объясняется явлением поверхностного натяжения. Поверхность воды ведёт себя как упругая плёнка. Лапки насекомого продавливают эту плёнку, но не разрывают её, и сила поверхностного натяжения уравновешивает вес насекомого.

Дополнительные примеры капиллярных явлений:

6) Питание растений. Вода с растворенными в ней минеральными веществами поднимается от корней к листьям по ксилеме — системе тончайших капиллярных сосудов в стебле растения.

7) Работа промокательной бумаги. Промокательная бумага имеет очень пористую структуру. При соприкосновении с жидкими чернилами она быстро впитывает их в свои капилляры.

8) Пропитывание кускового сахара напитком. Если опустить уголок кубика сахара в чай или кофе, жидкость быстро поднимется и заполнит весь кубик. Пространства между кристаллами сахара действуют как капилляры.

Ответ: Примеры капиллярных явлений включают подъём грунтовых вод, работу фитиля, впитывающие свойства тканей и бумаги, а также транспорт воды в растениях. Гидроизоляция направлена на предотвращение капиллярного подъёма влаги. Движение насекомых по воде — это пример поверхностного натяжения, а не капиллярности.

Установите связь между явлением смачивания и капиллярным эффектом.

Связь между смачиванием и капиллярным эффектом прямая и определяющая. Капиллярный эффект — это следствие баланса трёх сил на границе трёх сред (твёрдое тело-жидкость-газ): сил сцепления между молекулами жидкости (когезия), сил притяжения между молекулами жидкости и твёрдого тела (адгезия) и сил поверхностного натяжения жидкости. Явление смачивания как раз и характеризует соотношение этих сил.

1. Смачивание. Если силы адгезии (притяжения жидкости к стенкам капилляра) превосходят силы когезии (взаимного притяжения молекул жидкости), жидкость смачивает поверхность. В этом случае у стенок капилляра жидкость поднимается, образуя вогнутый мениск. Краевой угол смачивания $\theta$ острый ($\theta < 90^\circ$). Сила поверхностного натяжения, действующая вдоль границы мениска, будет иметь вертикальную составляющую, направленную вверх. Эта сила и втягивает жидкость в капилляр, вызывая её подъём (капиллярное всасывание). Высота подъёма жидкости $\text{h}$ определяется формулой Жюрена: $h = \frac{2\sigma\cos\theta}{\rho g r}$, где $\sigma$ — коэффициент поверхностного натяжения жидкости, $\theta$ — краевой угол, $\rho$ — плотность жидкости, $\text{g}$ — ускорение свободного падения, $\text{r}$ — радиус капилляра. Чем уже капилляр (меньше $\text{r}$) и чем лучше смачивание (меньше $\theta$), тем выше поднимется жидкость.

2. Несмачивание. Если силы когезии преобладают над силами адгезии, жидкость не смачивает поверхность. В этом случае у стенок капилляра жидкость опускается, образуя выпуклый мениск. Краевой угол смачивания $\theta$ тупой ($\theta > 90^\circ$). Вертикальная составляющая силы поверхностного натяжения направлена вниз. В результате уровень жидкости внутри капилляра становится ниже уровня жидкости в окружающем сосуде (капиллярная депрессия). Формула Жюрена остаётся справедливой, но так как $\cos\theta$ для тупого угла отрицателен, высота $\text{h}$ также получается отрицательной, что и означает понижение уровня.

Ответ: Капиллярный эффект является прямым следствием явления смачивания. Если жидкость смачивает стенки капилляра, она поднимается в нём выше окружающего уровня. Если жидкость не смачивает стенки, её уровень в капилляре опускается ниже окружающего. Таким образом, характер капиллярного явления (подъём или опускание) полностью определяется тем, смачивает или не смачивает жидкость материал капилляра.

Расскажите о методе, используемом в химии для разделения вещества, основанном на явлении капиллярности.

Метод разделения веществ, основанный на явлении капиллярности, — это хроматография. Одним из самых наглядных её видов является бумажная хроматография.

Принцип метода: Метод основан на различном распределении компонентов смеси между двумя фазами: неподвижной (стационарной) и подвижной (мобильной). В бумажной хроматографии в роли неподвижной фазы выступает бумага (точнее, вода, адсорбированная на её целлюлозных волокнах), а в роли подвижной фазы — специальный растворитель или смесь растворителей (элюент).

Процесс разделения:
1. На полоску специальной хроматографической бумаги на небольшом расстоянии от края наносят каплю исследуемой смеси.
2. Нижний край полоски с нанесённой пробой опускают в сосуд с растворителем (подвижной фазой) так, чтобы пятно смеси находилось выше уровня растворителя. Сосуд герметично закрывают для создания насыщенной атмосферы паров растворителя.
3. Под действием капиллярных сил растворитель начинает подниматься вверх по бумаге, подобно воде в фитиле.
4. Проходя через пятно исследуемой смеси, движущийся растворитель увлекает за собой её компоненты.
5. Разделение происходит из-за того, что разные вещества имеют разную скорость движения по бумаге. Скорость зависит от двух факторов: растворимости вещества в подвижной фазе и его сродства (силы адсорбции) к неподвижной фазе. Компоненты, которые лучше растворяются в элюенте и слабее связываются с бумагой, будут двигаться быстрее и поднимутся выше. Компоненты, которые хуже растворяются и сильнее удерживаются бумагой, будут двигаться медленнее и останутся ниже.
6. В результате через некоторое время на бумаге вместо одного исходного пятна образуется ряд отдельных пятен, расположенных на разной высоте. Каждое пятно соответствует одному из компонентов исходной смеси.

Таким образом, именно капиллярность обеспечивает движение подвижной фазы, которое и является движущей силой всего процесса разделения в бумажной и тонкослойной хроматографии.

Ответ: В химии для разделения веществ используется метод хроматографии (в частности, бумажной и тонкослойной). В этом методе разделение смеси на компоненты происходит за счёт их разной скорости движения в потоке подвижной фазы (растворителя) вдоль неподвижной фазы (пористый материал, например, бумага). Движение подвижной фазы через поры неподвижной обеспечивается именно благодаря явлению капиллярности.