Поверхностное натяжение воды: что это, чему равно и на что влияет
Капля воды на столе собирается в шарик, а не растекается лужей. Скрепка, аккуратно положенная плашмя, лежит на поверхности и не тонет, хотя стальная. Водомерка бегает по пруду как по стеклу. За всеми тремя картинками стоит одно и то же свойство — поверхностное натяжение.
В разговорах о воде его вспоминают часто и обычно невпопад: то называют мерилом «живости» воды, то путают с жёсткостью. Разберёмся, что это на самом деле, чему равно у воды, от чего зависит — и где оно действительно важно, а где к нему просто прицепились.
Что такое поверхностное натяжение простыми словами
Внутри жидкости каждая молекула окружена соседями со всех сторон и тянется к ним равномерно. У поверхности всё иначе: сверху соседей нет, воздух почти не притягивает. В итоге верхний слой молекул стянут внутрь и в стороны — поверхность ведёт себя как натянутая плёнка.
Отсюда и все наблюдаемые эффекты. Плёнке выгодно иметь наименьшую площадь, а наименьшая площадь при данном объёме — у шара, поэтому свободная капля круглая. Она же держит скрепку: металл тяжелее воды, но пока плёнка не прорвана, вес распределяется по ней.
Чему равно поверхностное натяжение воды
Коэффициент поверхностного натяжения обозначают греческой буквой сигма и измеряют в миллиньютонах на метр (мН/м) — это сила, приходящаяся на единицу длины линии на поверхности. В старых книгах встречается дин/см: численно это то же самое, 1 дин/см = 1 мН/м.
| Температура воды | Поверхностное натяжение |
|---|---|
| 0 °C | около 75,6 мН/м |
| 20 °C | около 72,7 мН/м |
| 37 °C — температура тела | около 70 мН/м |
| 60 °C | около 66,2 мН/м |
| 100 °C — кипяток | около 58,9 мН/м |
Стандартное значение, которое приводят в справочниках и просят в задачах, — около 72 мН/м при 20 °C. Для сравнения: у этилового спирта примерно 22 мН/м, у ртути — около 486. То есть вода по этому показателю — жидкость с очень высоким натяжением, и уступает она только расплавленным металлам.
Почему у воды оно такое высокое
Причина — водородные связи. Молекула воды полярна: у атома кислорода избыток отрицательного заряда, у атомов водорода — положительного. Соседние молекулы притягиваются этими полюсами и образуют сетку, которая заметно прочнее обычного притяжения между молекулами в большинстве жидкостей.
Эта же сетка объясняет и другие странности воды: высокую теплоёмкость, необычно высокую температуру кипения для такой лёгкой молекулы и то, что лёд плавает. Подробнее о том, как устроены связи между молекулами и почему «структуру воды» нельзя сохранить, — в статье структурированная вода: что известно науке.
От чего зависит поверхностное натяжение
| Фактор | Что происходит |
|---|---|
| Температура | Главный фактор в быту. Нагрев ослабляет водородные связи: от 0 до 100 °C натяжение падает примерно на четверть. Это и есть физика заваривания чая |
| Поверхностно-активные вещества | Мыло, моющее средство, спирт. Их молекулы встраиваются в поверхностный слой и рвут его связность — натяжение падает в разы, до 25–30 мН/м |
| Растворённые соли | Вопреки распространённому мнению, соли натяжение не понижают, а слегка повышают. Жёсткая и минерализованная вода имеет натяжение чуть выше дистиллированной |
| Загрязнение поверхности | Плёнка жира или масла на поверхности резко меняет картину — именно поэтому опыт со скрепкой не удаётся в грязной посуде |
На что влияет поверхностное натяжение в быту
Это тот случай, когда физика видна на кухне каждый день.
- Заваривание чая и трав. Чтобы вода вытянула из листа эфирные масла, дубильные вещества и всё остальное, она должна проникнуть внутрь листа. Горячая вода с низким натяжением делает это за минуты, холодная — за часы. Поэтому чай заваривают кипятком, а не заливают водой из-под крана
- Стирка и мытьё. Задача любого моющего средства — снизить натяжение, чтобы вода смачивала ткань и проникала в волокна, а не скатывалась с них
- Полив и опрыскивание растений. Вода с высоким натяжением скатывается с листа каплями; садоводы добавляют каплю мыла в раствор именно для смачивания
- Мыльные пузыри. Существуют только потому, что мыло снижает натяжение и позволяет плёнке растягиваться, не разрываясь
Поверхностное натяжение и питьевая вода
А вот здесь нужна аккуратность, потому что вокруг этого показателя выросло много лишнего.
Встречается утверждение: полезная вода должна иметь натяжение около 43 мН/м — как у внутриклеточной жидкости, и тогда она якобы усваивается легче. Сама цифра взята не с потолка: жидкости организма действительно имеют пониженное натяжение. Но причина в другом — в них растворены поверхностно-активные вещества: белки, фосфолипиды, желчные кислоты. Это работа организма, а не свойство выпитой воды.
И главное: снизить натяжение воды в стакане нечем, кроме нагрева или добавления ПАВ. Соли, как мы разобрали, его слегка повышают — значит, по логике «чем ниже, тем полезнее» самой полезной оказалась бы дистиллированная вода, то есть ровно та, которая по составу пуста.
Что дальше
Есть два практических продолжения темы. Первое — как этот показатель вообще измеряют и что можно проверить дома подручными средствами: как определить поверхностное натяжение воды. Второе — что реально снижает натяжение, а что только обещает: как снизить поверхностное натяжение воды.
А как этот показатель встраивается в общую картину качества воды — в итоговой статье живая и мёртвая вода.
Вопросы о поверхностном натяжении воды
Около 72 мН/м при температуре 20 градусов — это стандартное справочное значение. С ростом температуры оно падает: при 60 градусах примерно 66 мН/м, у кипятка около 59. В старых источниках используется единица дин/см, численно она совпадает с мН/м.
Из-за водородных связей. Молекула воды полярна, соседние молекулы притягиваются противоположными полюсами и образуют прочную сетку. Разорвать её на поверхности труднее, чем у большинства жидкостей, поэтому вода уступает по этому показателю только расплавленным металлам.
Напрямую. Чтобы вытянуть вещества из чайного листа или травы, вода должна проникнуть внутрь. Горячая вода имеет низкое натяжение и делает это за минуты, холодная с высоким натяжением почти не смачивает лист — поэтому в холодной воде заварить чай практически невозможно.
Нет. Цифра взята от жидкостей организма, но их натяжение понижено из-за растворённых белков и желчных кислот, а не потому, что вода особенная. Снизить натяжение в стакане можно только нагревом или добавлением поверхностно-активных веществ, и к питьевым качествам это отношения не имеет.
Слегка повышают. Это частое заблуждение: считается, что минерализованная вода имеет более низкое натяжение, но измерения показывают обратное. У дистиллированной воды натяжение чуть ниже, чем у минерализованной, при одинаковой температуре.
Это разные величины. Жёсткость — концентрация солей кальция и магния, измеряется в градусах жёсткости. Поверхностное натяжение — сила стягивания поверхностной плёнки, измеряется в мН/м. Жёсткая вода плохо мылится не из-за натяжения, а потому что кальций связывает мыло в осадок.
Источники
Нормативные документы, публикации ВОЗ и рецензируемые исследования, на которых основаны цифры в этой статье.
- Vargaftik N. B., Volkov B. N., Voljak L. D. International Tables of the Surface Tension of Water Journal of Physical and Chemical Reference Data, 1983, т. 12, вып. 3, с. 817–820. DOI 10.1063/1.555688 Публикация по DOI Справочные значения поверхностного натяжения воды в диапазоне от 0 до 100 градусов: 75,6 мН/м при 0, 72,7 при 20, 58,9 при 100.
- IAPWS R1-76. Revised Release on Surface Tension of Ordinary Water Substance International Association for the Properties of Water and Steam, 2014 Документ IAPWS Международно признанное уравнение зависимости поверхностного натяжения воды от температуры.
- Ali K., Shah A. A., Bilal S. Surface Tension and Surface Properties of Aqueous Solutions of Electrolytes Colloids and Surfaces A, 2009, т. 337, с. 194–199. DOI 10.1016/j.colsurfa.2008.12.023 Публикация по DOI Растворённые соли повышают поверхностное натяжение воды относительно чистой — количественные данные по электролитам.
Комментарии