Что такое капилляр?
Капилляр — это узкая трубка, в которой происходит капиллярное действие. Капиллярное действие относится к явлению, при котором жидкость, втекающая в капиллярную трубку, движется по трубке из-за поверхностного натяжения жидкости и смачивания внутренней стенки капиллярной трубки.
Это явление вызвано межмолекулярными силами между жидкостью и окружающей твердой поверхностью (например, стеклом). В частности, если диаметр капилляра достаточно мал, равновесие между поверхностным натяжением жидкости и силой сцепления между жидкостью и стенкой сосуда нарушается, что приводит к движению жидкости.
Это также принцип, лежащий в основе явления смачивания кистей, тонких трубок, пористых материалов, таких как бумага и гипс, и песка, очень знакомого природного явления. Другие примеры: растения, например, всасывают воду из своих корней и транспортируют ее к клеткам по всему телу, и капиллярное действие также частично участвует в этом механизме.
Примеры повседневных товаров, науки и технологий, которые используют капиллярное действие
1. Знакомые примеры капиллярного действия
Капиллярное действие очень практично в нашей повседневной жизни. Давайте рассмотрим его основной механизм на примере вытирания воды кухонным полотенцем.
Сила притяжения между подобными веществами, например, между молекулами воды, называется когезией. С другой стороны, сила притяжения между веществами с разными свойствами, например, между тонкими волокнами кухонного полотенца и молекулами воды, называется адгезионной силой.
Если сила адгезии больше силы сцепления, молекулы воды смачивают поверхность волокон кухонного полотенца и, как следствие, втягиваются в пространство между волокнами. Втянутые молекулы воды затем притягиваются друг к другу молекулами воды, с которыми они соприкасаются, из-за действия силы сцепления.
В результате этого ведущие молекулы воды втягивают следующие молекулы воды в пространство между волокнами кухонного полотенца. Из-за этой разницы в силе сцепления и адгезии вода впитывается в кухонное полотенце с постоянной скоростью.
2. Капиллярный феномен и тонкослойная хроматография
Тонкослойная хроматография — это инструмент, используемый в химических экспериментах, в котором тонкая пленка силикагеля или другой неподвижной фазы наносится на стеклянную или алюминиевую пластину для разделения сложных соединений. Капиллярное действие также успешно используется в этой аналитической технике.
В частности, этот аналитический метод заключается в погружении одного конца тонкого слоя пятна образца в растворитель, что заставляет растворитель перемещаться снизу вверх тонкослойной пластины через зазор в неподвижной фазе.
3. Адаптация к капиллярному электрофорезу
Капиллярный электрофорез — это аналитический метод разделения следовых компонентов путем введения электролитического раствора образца в капиллярную трубку из плавленого кварца и электрофореза.
По сравнению с хроматографией, такой как ВЭЖХ или электрофорез, капиллярный электрофорез является аналитическим методом, подходящим для обнаружения компонентов из небольшого количества образца, поскольку он состоит из капилляра, который имеет очень небольшой объем разделения и обычно требует всего около 100 мл образца.
В этом методе капилляр сначала погружается в электролитный буферный раствор с анодом и катодом, соединенными на каждом конце. Внутренняя стенка капилляра содержит силанольные группы (-SiOH), которые ионизируются при контакте с буферным раствором и несут отрицательный заряд.
Этот отрицательный заряд притягивает положительно заряженные вещества из буферного раствора, образуя электрический двойной слой на внутренней поверхности стенки. Приложение напряжения в этом состоянии заставляет положительный заряд в подвижной фазе снаружи электрического двойного слоя двигаться к катоду. Это создает поток подвижной фазы, называемый электроосмотическим потоком.
В капиллярном электрофорезе положительно заряженный материал обнаруживается первым, поскольку он быстро движется к катоду. Нейтральные и отрицательные вещества, которые не двигались бы к катоду из-за своих электрических свойств, также движутся к катодной стороне и обнаруживаются детектором из-за электроосмотического потока, создаваемого в капилляре.
Обычно используются капилляры с внутренним диаметром от 20 до 100 мкм. Чем больше внутренний диаметр, тем выше чувствительность обнаружения, что позволяет обнаруживать даже следовые элементы с высокой чувствительностью. С другой стороны, меньший внутренний диаметр улучшает разрешение.
Принцип капиллярного действия в капиллярах
Капилляры (тонкие и узкие трубки), погруженные в воду, образуют мениск. Кривизна этого мениска становится больше (т. е. радиус кривизны становится меньше) по мере того, как трубка становится уже. Кривизна вызывает разницу давления на границе раздела между жидкостью и газом. Жидкость с острым углом контакта (например, вода на стекле) образует вогнутый мениск, поэтому давление жидкости под мениском меньше атмосферного.
Таким образом, вода в трубке выталкивается из своего начального положения большим давлением воды снаружи трубки (т. е. воды при атмосферном давлении ниже горизонтальной поверхности раздела воздух-вода), чтобы подняться по трубке на тот же уровень.
Движение вверх прекращается, когда разность давлений между водой внутри трубки и водой под плоскостью снаружи трубки уравновешивается гидростатическим давлением, оказываемым столбом воды внутри капиллярной трубки.
Вот почему уровень воды внутри трубки выше, чем уровень воды снаружи трубки, и молекулы воды могут поглощаться вокруг трубки и оставаться на этом уровне воды в противоречии с их весом.
Как сделать капилляры
Капилляры изготавливаются путем нагревания центра стеклянной трубки или другой длинной тонкой стеклянной посуды газовой горелкой для ее размягчения, затем быстрого извлечения ее из пламени и энергичного растягивания обеими руками.
Сразу после того, как стеклянный капилляр растянут, он все еще горячий, поэтому область вокруг нагретой части должна быть хорошо охлаждена. Убедившись, что стеклянный капилляр вернулся к комнатной температуре, используйте режущий инструмент, например, резак для ампул, чтобы отрезать ненужные части.
Наконец, отрегулируйте его до длины, которую легко использовать, и храните его в подходящем контейнере, чтобы предотвратить его поломку. В дополнение к стеклянным трубкам, вместо стеклянных трубок можно приготовить пипетки Пастера. Поскольку возможны порезы стеклом и ожоги, следует надевать средства индивидуальной защиты и соблюдать осторожность при работе с пипеткой.
