A hajszálcsövesség és a meniszkusz magyarázata

Ha fogsz egy kémcsövet... (ezt iderajzolom) ...tehát ha fogsz egy kémcsövet, és megtöltöd vízzel, azt várhatnád, hogy a víz felszíne lapos lesz. Valójában nem így lesz – próbáld csak ki! Ezt talán már észre is vetted. A víz felszíne nem lapos, hanem az üveg fala mellett magasabbra kúszik fel, mint az üveg falától távolabb. Ilyesféle formája lesz. Az első kérdésünk az lehetne, hogy mi ennek a dolognak a neve. Ezt úgy nevezik, hogy meniszkusz. Ezt a fajta meniszkuszt, mivel a folyadékszint magasabb az edény fala mellett, mint a faltól távolabb, konkáv meniszkusznak nevezzük. Azt kérdezhetnéd: „Rendben, ha ez egy konkáv meniszkusz, van olyan eset is, amikor konvex meniszkuszt láthatunk?” Nos igen, létezik konvex meniszkusz is. Ha ugyanebbe az üvegedénybe víz helyett mondjuk, higanyt öntenénk, a meniszkusz így nézne ki. Ennek a középső része emelkedik ki, amely az edény falától távolabb esik. Hadd tegyek jelöléseket az ábrára. Ez egy konvex meniszkusz. De az csak egy dolog, hogy megvizsgáljuk és megnevezzük: „Na, ez itt egy meniszkusz, egy konkáv meniszkusz.” Az az érdekesebb kérdés, hogy mindez miért történik. Belátható, hogy a konkáv meniszkusz oka az, hogy a folyadék erősebben tapad az edény falához, mint önmagához. Itt közbevághatnál: „Várjunk csak egy percet! Beszéltünk arról, hogy miért poláris a víz, arról, hogy van egy részlegesen negatív vége. Minden vízmolekulának van egy részlegesen negatív vége, és részlegesen pozitív végei a hidrogének felől. (Hadd írjam le mindezt.) Részlegesen pozitív töltések a hidrogéneken. Emiatt alakulnak ki a hidrogénkötések, és ettől alakul ki a víz sokféle különleges tulajdonsága. Azt állítod, hogy a víz erősebben tapad az üveghez, mint önmagához?” A válaszom az, hogy igen, pontosan ezt állítom. És belátható az is, hogy miért tapad erősebben az üveghez, mint önmagához, ugyanis az üveg molekulái eléggé polárisak. Az üveg lényegében szilícium-dioxidból áll. Minden egyes szilíciumatomra két oxigénatom jut, ahogyan itt is látható. Minden egyes szilíciumatomra két oxigénatom jut. A helyzet az, hogy az elektronegativitás-különbség az oxigén és a szilícium között még annál is nagyobb, mint amekkora az oxigén és a hidrogén között. A szilícium elektronegativitása még a hidrogénhez képest is alacsonyabb. Így az oxigénatomok könnyen maguk felé vonzzák a szilícium elektronjait. Különösen azokat, amelyek részt vesznek a kötések kialakításában. Így részleges töltések alakulnak ki, részlegesen pozitív töltések a szilíciumatomokon, és persze részlegesen negatív töltések az oxigénatomok körül. Ezek tehát részlegesen negatívak, a szilíciumon pedig részlegesen pozitív a töltés. Így már sejthető, hogy mi zajlik az érintkezési felületen. Hadd tisztázzam, hogy mi történik. Ez, amit bekarikázok, a víz. Ezek itt a vízmolekulák. Amit pedig itt látunk, azok az üveg molekulái. Ez itt tehát az üveg. A víz részecskéi persze tapadnak egymáshoz a hidrogénkötések miatt, de van valamekkora kinetikus energiájuk. Ne feledd, hogy folytonosan mozognak, ide-oda ugrálnak, hiszen a víz folyékony halmazállapotban van. Sejthető, hogy egy-egy pillanatban mondjuk, ez a vízmolekula egy pillanattal előbb még itt volt, de most felugrott ide. Egy másik molekula meglökte, és elég kinetikus energiát szerzett ahhoz, hogy ide felugorjon. De ahogy feljutott ide, hozzáért az üvegfelülethez, az üveg molekuláihoz, hozzájuk ragadt, mivel részlegesen pozitív vége van a hidrogének felől. Hadd írjam ezt zölddel. A hidrogén felé eső, részlegesen pozitív végét vonzzák a részlegesen negatív pólusok az üveg oxigénatomjain. Így öszetapadnak. Ez a részleges töltés erősebb, mint a vízben, mivel az elektronegativitások különbsége nagyobb a szilícium és az oxigén között az üvegben, mint az oxigén és a hidrogén közt a vízben. Ezek tehát folyamatosan ütköznek. Odakerülhet egy újabb vízmolekula, ami a megfelelő irányba lökődött. És egyszerre csak egy pillanatra feljut ide, és odatapad az üveghez. Ezt a jelenséget, amikor valami hozzátapad a tárolóedény falához, adhéziónak nevezzük. Amit tehát itt látunk, az az adhézió. Az adhézió okozza azt, hogy a vizet itt is egy kissé magasabbnak látjuk. Azt a jelenséget, amikor egy anyag saját részecskéi tapadnak egymáshoz, kohéziónak nevezzük. Ennek okozói a hidrogénkötések a víz belsejében. Tehát ez a nyíl jelöli a kohéziót. Ezért tehát az oka annak, hogy a meniszkusz így néz ki. Ám az adhéziónak még ennél különösebb következményei is vannak. Vegyünk egy vízzel töltött tartályt. Csak hogy tisztázzuk azt, hogy mi történik a higany esetében: a higany jobban tapad önmagához, mint az üvegedényhez, ezért itt középen domborodik ki. De térjünk vissza a vízhez. Mondjuk tehát, hogy ez egy nagy kád víz. Megtöltöm vízzel. Vegyünk egy üvegcsövet. A cső anyaga fontos, ennek poláris anyagnak kell lennie. Ezért van, hogy az üvegben láthatunk meniszkuszt, de egy műanyag csőben nem, mivel a műanyag nem poláris. Vegyünk most egy üvegcsövet, méghozzá vékony üvegcsövet. Még egy kémcsőnél is sokkal vékonyabbat. Vegyünk tehát egy vékony üvegcsövet, a végét mártsuk bele a vízbe, és valami nagyon szuper dolgot fogunk látni. Próbáld csak ki! Ha sikerül szerezned egy nagyon vékony üvegcsövet, megláthatod, hogy a víz a gravitációval dacolva felfelé kezd kúszni a vékony üvegcsőben. Ez nagyon érdekes! Miért történik ez? Nos, ez az a folyamat, amit hajszácsövességnek hívunk. A „kapilláris” szó általánosságban nagyon-nagyon vékony csövet jelent. A keringési rendszerünkben nekünk is vannak kapillárisaink. A kapillárisok a legvékonyabb vérereink (a hajszálereink), amelyek nagyon-nagyon vékonyak. A hajszálcsövesség a mi kapillárisainkban is érvényesül. Amit tehát itt látunk, azt hajszálcsövességnek nevezzük. Ez csupán az adhézió látványosabb formája, mivel itt a vízmolekuláknak nagyobb része érintkezik a poláris üvegfelülettel. Képzeld csak el, hogy ha itt is üveg van, és ott is üveg van... Persze elég nehéz olyasmit találni, ami ennyire vékony, mindössze pár molekulányi. (A rajzom nyilván nem méretarányos.) Képzdeld csak el, hogy most egy újabb vízmolekula ugrik ide fel, és hozzátapad az üveghez. Ismét egy másikat löknek a megfelelő irányba, és az is felugrik ide. Ha az edényünk nem volna poláris, ha nem lenne hidrofil a tartály, akkor a részcskék csak le-fel ugrálnának. De most, hogy ez felugrott oda, és odatapadt, most ott rezeg, és hozzátapad egy újabb vízmolekula, a hidrogénkötései miatt. Aztán a megfelelő irányba lökődik, és nekiütközik a tartály egy magasabban lévő pontjának, és odatapad. Így elkezd felfelé kúszni az edény falán. Ez a hajszálcsövesség lényege. Ez nem valami vásári mutatvány. A hajszálcsövességnek valószínűleg életünk minden percében hasznát vesszük. Túl azon a tényen, hogy ez történik a tested hajszálereiben, ami az életed fenntartásához kell, akkor is ez történik, amikor valamit az kiöntesz az asztalra. Legyen ez itt valami, ami kiömlött az asztalra. Mondjuk, kiöntesz egy kis vizet vagy tejet. Ha fogsz egy papírtörlőt, ha megfogod, így... ha függőlegesen tartod, megláthatod, hogy a víz elkezd felszívódni a papírtörlőbe. Ez a felszívódási folyamat, amit látsz ez is hajszálcsövesség. A víz bejut a papírtörlő kis réseibe, és ezt az okozza, hogy a víz magához a papírhoz tapad.