محتويات
المركبات التي تعمل على خفض التوتر السطحي للماء تسمى
عوامل خافضة للتوتر السطحي.
أن المركبات التي تعمل على خفض التوتر السطحي للماء تسمى بالعوامل الخافضة للتوتر السطحي، وتعتبر هى أكثر المنتجات تنوعًا في الصناعة الكيميائية، حيث يتم استخدامها في كل المناطق الصناعية التي تتراوح من المنظفات المنزلية وحتى طين الحفر والمواد الغذائية والمستحضرات الطبية، ويعتبر مصطلح الفاعل بالسطح يأتي في الأساس من كلمة العامل النشط السطحي، أي إنها عبارة عن جزيئات برمائية وبالتالي يتم امتصاصها في واجهة الهواء والماء بسهولة.
حيث تصطف الجزيئات بحيث يكون كل كل جزء كاره للماء متواجد في الهواء، أما الجزء المحب للماء فيكون متواجد في الماء، مما سيؤدي إلى انخفاض في التوتر السطحي، ويُقال أيضًا من قِبل العلماء أن المواد الخافضة للتوتر السطحي هي في الأصل عبارة عن جزيئات برمائية متكونة من أجزاء كارهة للماء وأخرى مُحبة للماء، وتُسمى الأجزاء الكارهة للماء بالذيل الطارد وهو عبارة عن هيدروكربون أو فلوروكربون، أو سيلوكسان.
والتي عادًة ما يتم تصنيفها على أنها مواد خافضة للتوتر السطحي وذلك بناءًا على الرأس القبطي لها وذلك لأن الذيول الطاردة للماء تكون متشابهة، ولكن على الرغم من ذلك إذا لم تكن مجموعة الرأس مشحونة بشكل كافي، فإن حينها التفاعل يكون تفاعل غير آيوني.
وذلك في حالة إذا كانت مجموعة الرأس تحتوي على شحنة سالبة أو شحنة موجبة، وحينها تُسمى تلك العوامل بالعوامل الأيونية والكاتيونية، وتُسمى أيضًا بالـ zwitterionic، فتُعتبر المواد الخافضة للتوتر السطحي سواء كانت الأنيونية أو الغير أنيونية هي أكثر أنواع التفاعل استخدامًا في الصناعة، وخاصًة في منتجات التنظيف مثل منظفات الغسيل والشامبوهات والمنظفات الكحلية وما إلى ذلك.
استخدام المواد الخافضة للتوتر السطحي في صناعة الاغذية
نجد أنه غالبًا ما تُستخدم المواد الخافضة للتوتر السطحي غير الأيونية كعامل ترطيب كما يتم استخدامها أيضًا في صناعة الأغذية، وتعتبر المواد الخافضة للتوتر السطحي الموجبة وحتى المواد الزيوتريونية من المواد المكلفة في الإنتاج.
يرجع امتصاص المواد الخافضة للتوتر السطحي عند السطوح البينية إلى طبيعتها البرمائية، حيث تمتص المواد الخافضة للتوتر السطحي الموجودة أمام الهواء والماء والزيت فتصطف مكونة جزء كاره للماء وهو الذي يكون موجود في الهواء أو الزيت، والجزء المحب للماء يكون متواجد في الماء كما سبق الشرح.
وذلك لأن قوى التماسك بين جزيئات الماء قوية جدًا وذلك ما يجعل التوتر السطحي للماء مرتفع، ويرجع ذلك إلى أنه عندما تمتص المواد الخافضة للتوتر السطحي فإنها تقوم بتكسير تلك التفاعلات.
حيث تكون القوى بين الجزيئية الموجودة بين الفاعل بالسطح وجزيء الماء أقل بكثير جدًا من تلك الموجودة بين جزيئي ماء، وبالتالي نلاحظ انخفاض التوتر السطحي، ويحدث ذلك عندما يكون تركيز الفاعل بالسطح مرتفع بشكل فعال وبالتالي تُشكل المذيلات، وحينها تُسمى تلك النقطة بمذيلات تركيز المسيل الحرج. [1]
علل للماء توتر سطحي عالي
بسبب قدرة الجسيمات على تكوين الروابط الهيدروجينية.
يبلغ التوتر السطحي للماء حوالي 72 ملي نيوتن لكل متر، وذلك في درجة حرارة الغرفة ويعتبر هو أحد أعلى درجات التوتر السطحي للماء وللسوائل بشكل عام، وعلى الرغم من أن الماء تمتلك توتر سطحي عالي، إلا أن هناك سائل آخر ذو توتر سطحي عالي وهو الزئبق، وهو عبارة عن معدن سائل يبلغ توتره السطحي حوالي 500 ملي نيوتن لكل متر، ويظل ذو توتر سطحي عالي على الرغم من وجود المركبات التي تعمل على خفض التوتر السطحي للماء والسوائل بشكل عام.
لقد نشأ التوتر السطحي للماء نتيجة عن تفاعلات جزيئية قوية، وذلك بسبب التفاعلات المتماسكة بين الجزيئات الموجودة في السوائل وذلك في الجزء الأكبر من السائل، وتلك الجزيئات تكون بجانب جزيئات أخرى متجاورة في كل جانب، حيث تسحب الجزيئات بعضها البعض بشكل متساوي في جميع الاتجاهات، وبالتالي سوف يتسبب ذلك في قوة صافية تقديرها صفر.
ومع ذلك قد نلاحظ أن الجزيئات السائلة تكون ذات حجم متقارب، مما يجعل الجزيء يرتبط بقوة أكبر بالجزيئات الموجودة على الجوانب الخاصة به، وبالتالي يسبب قوة داخلية صافية تجاه الماء، وتلك القوة تعمل على مقاومة كسر السطح وذلك ما يُسمى بالتوتر السطحي. [2]
قانون التوتر السطحي
N / m² = J / m³.
يتم استخدام التوتر السطحي من أجل وصف الظواهر المتماثلة للسائل الذي يحتوي على الكثير من الواجهات المختلفة بالمشاركة مع المواد الصلبة والمواد السائلة الأخرى بجانب الماء والتي من الممكن أن تحتوي على شحنات سالبة أو موجبة الشحنة، حيث يتم دفع جزيئات الماء إلى سطح السائل ويرجع ذلك إلى وضعها على جزيئات أخرى تكون أكثر قوة وجاذبية، حيث تكون القوة الجاذبة هنا عند التوازن في الماء ولكن في نفس الوقت تكون عند دفعها إلى السطح.
وحينها يتم فقد التوازن الجذاب ويتم سحب الجزيئات بعيدًا عن السطح، ومع ذلك لا يمكن وقتها الانتقال إلى أي مكان أخر وذلك لأن السطح لا يمكن أن ينكمش، وبالتالي نجد أنه بتلك الطريقة يزداد الضغط الداخلي مما يجبر بقية الأسطح السائلة على التقلص والدخول إلى مناطق أخرى، يتم التعبير عن كل ذلك من خلال قانون التوتر السطحي والذي تكون القوة فيه هي O الممثلة للجزيئات عالية الطاقة والموجودة خارج الجزء الخارجي.
وذلك في حالة عدم وجود أي جزيئات جانبية يمكن ثنيها لتحقيق التوازن، وبتلك الطريقة ينكمش السائل إلى أدنى حد ممكن من المساحة المطلوبة للسطح من أجل الحفاظ على الطاقة المنخفضة، والتي يعبر عنها من خلال القانون الآتي:
Ơ = ∆E / ∆A (في J / م ^ 2 = N / م = (كجم / ث ^ 2)، W = ∆E = Ơ x ∆A، وهو القانون المثبت لحساب التوتر السطحي للسوائل. [3]
أمثلة على ظاهرة التوتر السطحي
تحدث تلك الخاصية من خلال قوة التماسك بين الجزيئات التي تسبب التوتر السطحي، حيث أنه كلما كانت قوة التماسك قوية كلما زاد التوتر السطحي، فعلى سبيل المثال إذا كان هناك جزيء من الماء وذلك الجزيء يحتوي على ذرتين هيدروجين وذرة أكسجين واحدة، تلك الذرات ترتبط معًا من خلال الرابطة التساهمية.
ومن خلال تلك الرابطة وقدرة الأكسجين الكهربية العالية فإنه سوف يكون هناك جانب كبير جدًا من الشحنات السالبة وأخرى موجبة مما سوف يؤدي إلى تكوين تجاذب، إلكتروستاتيكي بين ذرة الهيدروجين والأكسجين، وذلك التجاذب بين الذرات هو ما يكون التوتر السطحي للماء، ومع ذلك يوجد أمثلة على المركبات التي تعمل على خفض التوتر السطحي للماء، وفيما يلي سوف نتعرف على أشهر الأمثلة الموجودة في ظاهرة التوتر السطحي وإليك هي:
- قطرات السوائل.
- الصابون والمنظفات.
- فقاعات الصابون.
- الحشرات.
- المعادن الثقيلة.
سير الحشرات على الماء وعلاقته بالتوتر السطحي
هناك الكثير من الأمثلة حول التوتر السطحي ومن أشهرها قدرة الحشرات وخاصًة النمل على السير فوق سطح الماء، كما أنه كان هناك معتقد قديم حول التوتر السطحي وهو أن الآلهة في مصر القديمة كانت تستطيع أن تسير فوق الماء، فكان البشر قديمًا يعتقدون أن الآلهة فقط هم من يستطيعون فعل ذلك الشيء، ولكن كان هناك بعض الحشرات التي تستطيع السير على الماء مثل النمل، والبعوض وبعض الحشرات الأخرى.
فكان قديمًا لا يستطيعون تفسير تلك الظاهرة، حتى تم اكتشاف أنها ظاهرة التوتر السطحي، وهو عبارة عن خاصية تجعل السائل وكأنه سطح محاط بجلد، حيث أن قوى التماسك الموجودة بين الجزيئات هي نفسها المسؤولة عن خاصية التوتر السطحي، تتم عملية التوتر السطحي من خلال الجزيئات الموجودة بجانب بعضها البعض في قوة التماسك والتي تُشكل طبقة سفلية تجعل قوة التجاذب كبيرة وبالتالي تستطيع الحشرات السير فوق الماء دون أي غرق. [4]
