curs-4-biofizica - Cadre Didactice

Curs 4
Biofizică

FORŢE MOLECULARE LA CONTACTUL LICHID – SOLID.
MENISCURI. FORMULA LUI LAPLACE
Datorită tensiunii superficiale, suprafaţa liberă a unui lichid în
echilibru, aflat în contact cu alte medii, ia o formă curbă,
numită menisc. La suprafaţa de contact solid – lichid apar de
asemeni forţe de atracţie moleculară, denumite forţe de
adeziune în timp ce forţele ce acţionează între molecule mai
sunt denumite şi forţe de coeziune. În funcţie de raportul
intensităţii acestor două forţe, apar două cazuri diferite,
reflectate în forma stratului superficial la suprafaţa de
separaţie dintre lichid şi solid. Parametrul care caracterizează
meniscul este unghiul format de tangenta la suprafaţa
lichidului cu suprafaţa solidă cu care este în contact, numit
unghi de udare sau unghi de racordare.

a. Cazul în care forţele de coeziune sunt mai mari decât
forţele de adeziune. În acest caz, suprafaţa de contact dintre
lichid şi solid are tendinţa de micşorare, iar unghiul de udare este
mai mare decât π/2 (Fig.3.4).
Se spune despre lichidele care sunt în această situaţie
că nu udă pereţii vasului, iar suprafaţa lichidului in apropierea
vasului (meniscul) este concavă.
b. Cazul în care forţele de coeziune sunt mai mici decât
forţele de adeziune. În acest caz, unghiul de udare este mai mic
decât π/2 (Fig.3.5). Se spune despre lichidele care sunt în
această situaţie că udă pereţii vasului, iar suprafaţa lichidului in
apropierea vasului (meniscul) este convexă.

θ
a) b)
Fig.3.4 Cazul lichidului care nu udă pereţii vasului pentru o picătură
(a) şi pentru lichidul dintr-un vas (b)
θ

Trebuie precizat că această comportare a
suprafeţei libere a lichidului la suprafaţa de
contact cu solidul depinde (într-o mică
măsură) şi de natura gazului aflat în contact cu
lichidul.
Un alt parametru care influenţează forma
meniscului este puritatea celor trei medii
aflate în contact.

θ
a) b)
Fig.3.5 Cazul lichidului care udă pereţii vasului pentru o picătură (a) şi
pentru lichidul dintr-un vas (b)
θ

Existenţa meniscului determină apariţia unei presiuni
suplimentare Δp, faţă de cea exercitată de suprafaţa
plană a lichidului. Expresia matematică a presiunii
suplimentare a fost obţinută de Laplace (1807). Pentru
o suprafaţă sferică se poate scrie:
p
=
pentru o suprafaţă cilindrică:
p
=
2
R
2
cos
d

Această suprapresiune este importantă în cazul picăturilor de lichid
în aer sau invers, al picăturilor de aer în lichid. Sub acţiunea forţelor
de tensiune superficială, picăturile iau formă sferică, datorită condiţiei
fizice de atingere a unui minim al energiei potenţiale .
Pentru un volum dat, forma sferică are suprafaţa cea mai mică şi de
aceea şi forma picăturilor este sferică. Dacă pentru picăturile de aer
în lichid nu mai apar alte probleme, picăturile de lichid sunt supuse şi
acţiunii greutăţii proprii, astfel încât, o dată cu creşterea în
dimensiune, forma picăturii se depărtează tot mai mult de sferă, ea
aplatizându-se. După cum se poate vedea din relaţia (3.9),
suprapresiunea dată de forţele superficiale este invers proporţională
cu raza bulei, ea fiind cu atât mai importantă cu cât raza este mai
mică. Folosind datele din tabelul 3.1. într-o bulă de aer cu raza de un
micron, aflată în apă presiunea atinge o valoare de 1.46x105 N/m2,
adică mai mare decât presiunea atmosferică.

FENOMENE CAPILARE. FORMULA LUI JURIN
Fenomenele capilare sunt determinate de forţele de interacţiune
dintre un lichid şi un corp solid şi conduc la abaterea păturii
superficiale de la forma plană. Aceste fenomene sunt mai evidente în
cazul tuburilor de secţiuni mici, numite capilare.

Să presupunem un tub de rază r, aşezat într-un lichid care udă
pereţii tubului şi a cărui tensiune superficială este σ. Coloana de
lichid va fi în echilibru atunci când presiunea suplimentară va fi egală
cu cea hidrostatică.
In acest caz putem scrie:Formula lui Jurin.
2
R
=
R
=
g
h
r
cos

Rolul fenomenului de capilaritate
Fenomenul de capilaritate joacă un rol important
în natură.
Viaţa este strâns legată de existenţa apei şi a
lichidelor biologice.
De aceea este normal ca şi efectele superficiale
să joace un rol în viaţa de zi cu zi.
In natură, apa nu se regăseşte practic niciodată în
stare pură, ea conţine totdeauna minerale sau
materie organică.
Toate acestea influenţează valoarea coeficientului
de tensiune superficială, mărindu-l sau
micşorându-l, după caz.

Dacă substanţele minerale se dizolvă de obicei în apă, distribuinduse
în volumul acesteia, lichidele organice sunt rareori miscibile cu
apa.
De obicei au o densitate mai mică decât apa şi se ridică la
suprafaţă; mai mult, datorită tensiunii lor superficiale, au tendinţa de
a se întinde pe suprafaţa apei.
Dacă apa este liniştită, stratul superficial al lichidului organic tinde
să devină monomolecular (cu grosimea egală cu cea a unei
molecule) ceea ce face ca o cantitate mică de lichid să acopere o
suprafaţă mare de apă.
In cazul în care molecula organică are o parte care formează uşor
legături cu apa (de obicei legături de hidrogen), această parte,
numită hidrofilă se orientează către apă, în timp ce cealaltă parte a
moleculei, numită hidrofobă se orientează către exteriorul apei.

In figura alăturată este ilustrat un astfel de mecanism în cazul unui
acid gras, pentru care partea hidrofilă este dată de gruparea –
COOH.
Formarea unui strat superficial la suprafaţa apei dintr-un
lichid organic având în moleculă o parte hidrofilă şi o
parte hidrofobă

Acest efect este folosit şi în viaţa curentă în cazul
detergenţilor.
Pentru ca aceştia să spele cât mai bine posibil este necesar
ca lichidul să ude cât mai bine posibil ţesăturile sau
materialele ce trebuie spălate, pentru ca apoi să
emulsioneze, să dizolve şi să înlăture murdăria sau petele
de grăsime.
Pentru aceasta detergenţii trebuie să conţină substanţe
tensioactive, substanţe care adăugate în cantitate mică au
drept efect o reducere importantă a tensiunii superficiale,
rezultând o capacitate mult mărită a apei de a uda
materialele cu care vine în contact.
In alte situaţii, din contră, substanţele prezente în apă au
drept efect creşterea lui σ, făcând suprafaţa apei mai
„rigidă”, stratul superficial comportându-se ca o membrană
elastică, făcând pătrunderea în interiorul lichidului mai
dificilă.

In lumea animală, valoarea coeficientului de tensiune superficială
este foarte importantă.
Există o serie întreagă de insecte capabile să stea pe suprafaţa apei
sau chiar să se deplaseze pe aceasta; o micşorare a coeficientului de
tensiune superficială ar fi pentru ele fatală.
Păsările acvatice şi o serie de mamifere au penele sau blana
acoperite cu un acid gras care le împiedică să se înmoaie în apă.
Pentru ele, prezenţa în apă a unor substanţe capabile să dizolve
grăsimile (ca în cazul poluărilor cu produse petroliere) este
echivalentă de multe ori cu moartea prin înecare. In plus, prezenţa la
suprafaţa apei a unui strat superficial poate împiedica oxigenarea
apei şi moartea faunei acvatice. Iată de ce, păstrarea calităţii apei
este deosebit de importantă în păstrarea echilibrului ecologic.
Dincolo de aceste aspecte generale legate de efectele tensiunii
superficiale, există şi altele, particulare, de care sunt legate
funcţionarea unor sisteme biologice, cum ar sistemul respirator în
lumea animală sau ascensiunea sevei în plante.

Rolul surfactantului pulmonar
Schimbul de gaze în procesul de respiraţie pentru animalele
terestre se face la nivelul alveolelor pulmonare. Acestea au o formă
aproape sferică, cu dimensiuni cuprinse între 0.05 şi 0.1 mm. Ele
se grupează în jurul bronhiolelor (Fig.3.9), formând o structură
arborescentă. Pereţii lor sunt împânziţi de o reţea de capilare
foarte densă, distanţa medie dintre capilare fiind de ordinul a 20
m. Pentru a asigura transferul gazelor într-un volum suficient,
numărul alveolelor este de ordinul sutelor de milioane, astfel încât
suprafaţa desfăşurată a acestora este de aproximativ 100 m. In
timpul unui ciclu respirator normal însă, doar aproximativ 10 % din
volumul plămânilor este folosit şi deci pe parcursul unui ciclu
suprafaţa alveolelor variază cu mai puţin de 10 m. Pereţii interni ai
alveolelor pulmonare sunt acoperiţi cu un strat lichid extrem de
subţire, de ordinul a 0.5 m, având drept componentă principală
apa. Datorită acestui fapt, între aer şi lichid ia naştere o tensiune
superficială, care conform legii lui Laplace (3.9) produce în
interiorul alveolei o suprapresiune.

Alveolele pulmonare sunt grupate în jurul bronhiolelor şi au pereţii
străbătuţi de o reţea densă de capilare