Vodní kapky na různých površích

Pokus číslo: 2337

  • Cíl pokusu

    Experiment ukazuje souvislost mezi tvarem vodní kapky a povrchem, na kterém kapka leží.

  • Teorie

    Pokud do nádoby nalijeme vodu, lze na okraji pozorovat různé zakřivení hladiny. Tvar hladiny závisí na výslednici sil mezi molekulami samotné kapaliny a mezi molekulami kapaliny a povrchu. Mluvíme proto o tom, že kapalina „smáčí“, nebo „nesmáčí“ stěnu nádoby.

    Podobně, pokud kapalinu kápneme na nějaký povrch, vzniklá kapka bude mít různý tvar podle toho, zda kapalina povrch smáčí, či nesmáčí (viz obr. 1). Je-li úhel, který svírá kapka s povrchem (označovaný obvykle jako kontaktní úhel) menší než 90°, říkáme, že kapalina povrch smáčí. Pokud je naopak úhel větší než 90°, kapalina povrch nesmáčí. Speciální případ nastane, pokud je úhel větší než 150° –  v tom případě mluvíme o superhydrofobním povrchu.

    Obr. 1: Kapalina smáčí povrch (vlevo) a nesmáčí povrch (vpravo)

    Zda kapalina povrch smáčí, či nesmáčí, závisí jednak na samotné kapalině, ale i na daném povrchu. Oboje lze navíc upravit tak, aby smáčivost vyhovovala dané potřebě. V praxi tak například voda s jarem smáčí teflonovou pánev lépe než samotná voda, mastný porcelánový talíř je vodou smáčen hůř než čistý apod.

    Poznámka: Mezi běžné úpravy povrchu, které mají zajistit horší smáčivost vody patří i impregnace. Některé impregnace ale nemění samotný kontaktní úhel, ale spíše povrch upravují, aby se kapka tak rychle nevsákla – tvar kapky se tak po použití těchto impregnací téměř nemusí lišit.

  • Pomůcky

    • nádoba s vodou
    • kapátko nebo plastová pipeta
    • potravinářské barvivo
    • různé (lépe nenasákavé) materiály (např. sklo/plexisklo, vosk, teflon, papír, polystyren, látka,...)
    • případně impregnace
  • Postup

    Postupně kapeme vodu na různé povrchy a pozorujeme tvar kapek. Povrchy můžeme rozdělit podle toho, zda je voda smáčí, či nesmáčí nebo seřadit podle odhadnuté velikosti kontaktního úhlu apod.

  • Vzorový výsledek

    Příklady kapek na některých površích jsou na obrázku 2. Je vidět, že např. papír nebo plexisklo voda výrazně smáčí (kontaktní úhel je mnohem menší než 90°), naopak impregnovanou látku nebo teflon voda nesmáčí.

    Obr. 2: Kapky na různých površích

    Poznámka: U plexiskla je vidět „zalomení“ ve spodní části kapky, které je způsobeno odrazem na lesklém povrchu plexiskla. Samotná kapka končí samozřejmě v místě, kde vidíme zalomení.

  • Metodické poznámky

    • Experiment má za cíl pomoci odbourat častou představu, že „voda smáčí a rtuť nesmáčí“ – jeho cílem tak je ukázat, že smáčivost závisí nejen na kapalině, ale i na daném povrchu. Z tohoto důvodu se zde pracuje pouze s vodou. Aktivitu lze ale samozřejmě rozšířit o pozorování kapek různých kapalin na stejném povrchu, případně srovnání chování vody a vody s jarem.
    • Experiment lze v rámci např. laboratorní práce nechat udělat studenty ve skupinách, případně lze mít předem připravené fotografie, s kterými mohou studenti pracovat (seřadit je podle toho, jak která kapka smáčí, odhadnout či změřit velikost kontaktního úhlu, odhadnout, o jaký povrch se jedná apod.).
  • Technické poznámky

    • Kapky by neměly být příliš velké, aby nedocházelo k jejich deformaci. Proto je vhodné kápnout vždy pouze jednu kapku na dané místo (čímž je současně díky povrchovému napětí zajištěno, že všechny kapky dané kapaliny budou vytvořeny ze stejného objemu vody).
    • Chceme-li z fotografie měřit kontaktní úhel, je potřeba fotit kapku vždy „zepředu“ (tj. vyfotit nárys).
    • Pro lepší viditelnost kapek na fotografiích lze vodu obarvit potravinářským barvivem (hodí se zvlášť pro světlé povrchy, naopak na tmavých površích je lépe vidět neobarvená kapka).
    • V rámci aktivity lze porovnat i vliv různých druhů impregnace na velikost kontaktního úhlu. V tom případě je potřeba příslušné vzorky impregonvaných látek předem připravit.
Typ pokusu: kvalitativní
Věková skupina: od 2. stupně základní školy
Potřebné vybavení: proveditelné s jednoduchými pomůckami
Čas přípravy pokusu: do 3 minut
Čas provedení pokusu: 3–10 minut