गिलास को पानी से पूरा भरने पर पानी किनारे से थोड़ा ऊपर उभर आए, तब भी वह आसानी से छलकता नहीं है। तालाब में वॉटर स्ट्राइडर कीट डूबे बिना पानी पर फिसलते हुए चलते हैं। द्रव की सतह का पतली झिल्ली की तरह टिका रहना ही ‘पृष्ठ तनाव (Surface Tension)’ कहलाता है।
सरल शब्दों में, पृष्ठ तनाव का अर्थ है ‘द्रव का अपना पृष्ठीय क्षेत्रफल जितना संभव हो उतना कम करने का बल’। यह द्रव के अणुओं के बीच आपसी आकर्षण से उत्पन्न होता है और हमारी सोच से कहीं अधिक प्रक्रियाओं में भूमिका निभाता है—पानी की बूँदों के गोल बनने से लेकर साबुन से मैल हटने और हमारे शरीर के साँस लेने तक।
इस सामग्री में हम क्रम से समझेंगे कि पृष्ठ तनाव कैसे उत्पन्न होता है, पानी का पृष्ठ तनाव विशेष रूप से अधिक क्यों होता है, रोज़मर्रा में यह कहाँ दिखाई देता है और इसे कम करने वाले पृष्ठ सक्रिय पदार्थों की क्या भूमिका है।
पृष्ठ तनाव के सिद्धांत और उपयोग
पृष्ठ तनाव क्या है?
द्रव के भीतर गहराई में मौजूद अणु के ऊपर, नीचे और चारों ओर पड़ोसी अणु होते हैं, इसलिए आकर्षण बल समान रूप से एक-दूसरे को संतुलित कर देते हैं। लेकिन सतह पर मौजूद अणु के बाहर की ओर उसे खींचने वाले पड़ोसी अणु लगभग नहीं होते, इसलिए उस पर कुल मिलाकर द्रव के भीतर की ओर खिंचने वाला बल लगता है।
इसके परिणामस्वरूप द्रव की सतह तनी हुई रबर की झिल्ली की तरह व्यवहार करती है और उसका क्षेत्रफल बढ़ाने के लिए उसी अनुपात में कार्य करना पड़ता है। इसलिए पृष्ठ तनाव को ‘सतह की प्रति इकाई लंबाई पर लगने वाले बल’ या ‘पृष्ठीय क्षेत्रफल बढ़ाने में लगने वाली ऊर्जा’ के रूप में व्यक्त किया जाता है और इसकी इकाई न्यूटन प्रति मीटर (N/m) होती है।
- संसंजन बल (Cohesion): एक ही द्रव के अणुओं के बीच लगने वाला आपसी आकर्षण बल, जो पृष्ठ तनाव का आधार बनता है।
- न्यूनतम पृष्ठीय क्षेत्रफल (Minimum Surface Area): समान आयतन के लिए गोले का पृष्ठीय क्षेत्रफल सबसे कम होता है, इसलिए पानी की छोटी बूँदें या भारहीनता में मौजूद पानी गोल आकार लेते हैं।
घास की पत्तियों के सिरों पर जमी सुबह की ओस और खिड़की के काँच पर चिपकी बारिश की बूँदें भी इसी कारण गोल दिखाई देती हैं। हालाँकि, बूँद बड़ी होने के साथ उसके भार का प्रभाव बढ़ता है, इसलिए किसी सतह पर रखी पानी की बड़ी बूँद का निचला हिस्सा चपटा होकर फैल जाता है।
पानी का पृष्ठ तनाव विशेष रूप से अधिक क्यों होता है
अलग-अलग द्रवों का पृष्ठ तनाव अलग होता है। यह अंतर इस बात पर निर्भर करता है कि उनके अणुओं के बीच लगने वाले बल कितने प्रबल हैं।
(1) हाइड्रोजन बंध की शक्ति
पानी के अणु हाइड्रोजन बंधों से अपने पड़ोसी अणुओं के साथ मज़बूती से जुड़े रहते हैं। इसलिए 20 डिग्री पर पानी का पृष्ठ तनाव लगभग 72.7 mN/m होता है, जो सामान्य द्रवों में बहुत अधिक माना जाता है।
(2) अन्य द्रवों से तुलना
एथेनॉल का पृष्ठ तनाव पानी के पृष्ठ तनाव के लगभग 3वें हिस्से का 1 गुना ही होता है। इसके विपरीत, धात्विक बंधों से जुड़े पारे का पृष्ठ तनाव पानी से लगभग छह गुना अधिक होता है, इसलिए काँच पर गिराने पर वह फैलने के बजाय गोल मोतियों की तरह लुढ़कता है।
(3) तापमान के साथ परिवर्तन
तापमान बढ़ने पर अणुओं की गति तेज़ हो जाती है और एक-दूसरे को थामे रखने वाला बल कमज़ोर पड़ जाता है। पानी का पृष्ठ तनाव भी 0 डिग्री पर लगभग 75.6 mN/m होता है, लेकिन तापमान 100 डिग्री के करीब पहुँचने पर यह घटकर लगभग 59 mN/m रह जाता है।
इस तरह पृष्ठ तनाव कोई निश्चित मान नहीं है; यह द्रव के प्रकार, तापमान और उसमें मिले पदार्थों के अनुसार बदलता है। शुद्ध पानी में थोड़ा-सा साबुन घोलने पर भी इसका मान बहुत घट जाता है। यही गुण आगे समझाए जाने वाले पृष्ठ सक्रिय पदार्थों के सिद्धांत से जुड़ा है।
रोज़मर्रा में दिखाई देने वाला पृष्ठ तनाव
पृष्ठ तनाव प्रयोगशाला की तुलना में हमारे आसपास अधिक बार दिखाई देता है। थोड़ा ध्यान देने पर रसोई, स्नानघर और तालाब के किनारे जैसे परिचित स्थानों पर इसके संकेत आसानी से मिल जाते हैं।
- वॉटर स्ट्राइडर कीट (Water Strider): इसकी टाँगों पर पानी से न भीगने वाले बारीक रोएँ घने होते हैं। जब टाँगें पानी की सतह को हल्का दबाकर उसमें गड्ढे बनाती हैं, तो सतह के फिर से समतल होने की कोशिश से उत्पन्न बल इसके शरीर को सहारा देता है।
- पानी पर तैरती सुई (Floating Needle): पानी से भारी लोहे की सुई या क्लिप को भी सावधानी से पानी की सतह पर लिटाया जाए, तो वह सतह की झिल्ली पर टिककर तैर सकती है।
- पानी की उत्तल सतह (Convex Water Surface): गिलास को पानी से पूरा भरने पर सतह को थामे रखने वाले बल के कारण पानी किनारे से ऊपर उभर आने पर भी कुछ समय तक छलकता नहीं है।
- केशिका क्रिया (Capillary Action): पतली नली या कागज़ के तौलिये के सूक्ष्म अंतरालों में द्रव को दीवार से चिपकाने वाला आसंजन बल और पृष्ठ तनाव मिलकर काम करते हैं, जिससे द्रव गुरुत्वाकर्षण के विरुद्ध ऊपर चढ़ता है।
इसके विपरीत, पारे जैसे द्रव, जो काँच से अच्छी तरह नहीं चिपकते, पतली नली में नीचे उतर जाते हैं। अर्थात परिणाम इस बात पर निर्भर करता है कि द्रव के अणुओं के बीच का आकर्षण बल अधिक है या दीवार से चिपकने वाला बल।
पृष्ठ तनाव कम करने वाले पृष्ठ सक्रिय पदार्थ
पृष्ठ तनाव हमेशा उपयोगी ही नहीं होता। पानी के बहुत कसकर एकत्र होने पर वह कपड़े के बारीक अंतरालों या चिकनाई वाली मैल में अच्छी तरह प्रवेश नहीं कर पाता। ऐसे में पृष्ठ तनाव कम करने वाले पृष्ठ सक्रिय पदार्थों का उपयोग किया जाता है।
पृष्ठ सक्रिय पदार्थों के कार्य
- धुलाई और सफ़ाई (Detergency): साबुन और डिटर्जेंट के अणुओं में पानी की ओर आकर्षित होने वाला सिरा और तेल की ओर आकर्षित होने वाली पूँछ, दोनों होते हैं। ये पानी का पृष्ठ तनाव घटाते हैं और चिकनाई वाली मैल को घेरकर सतह से छुड़ाते हुए पानी में ले आते हैं।
- काली मिर्च का प्रयोग (Pepper Experiment): पानी पर काली मिर्च छिड़ककर बीच में डिटर्जेंट की एक बूँद डालने पर उस स्थान का पृष्ठ तनाव अचानक कम हो जाता है और काली मिर्च पलक झपकते ही बाहर की ओर खिसक जाती है।
- फुफ्फुसीय सर्फैक्टेंट (Pulmonary Surfactant): फेफड़ों की वायुकोष्ठिकाओं की भीतरी सतह पर पृष्ठ तनाव कम करने वाला पदार्थ होता है, जो साँस छोड़ते समय छोटी वायुकोष्ठिकाओं को सिकुड़कर आपस में चिपकने से रोकने में मदद करता है।
- औद्योगिक उपयोग (Industrial Applications): स्याही, पेंट और कीटनाशक जैसे उत्पादों में, जिन्हें सतह पर समान रूप से फैलना होता है, पृष्ठ तनाव को उपयुक्त स्तर पर रखने वाले घटक मिलाए जाते हैं।
विशेष रूप से, पर्याप्त फुफ्फुसीय सर्फैक्टेंट बनने से पहले जन्म लेने वाले समयपूर्व शिशुओं को साँस लेने में कठिनाई हो सकती है, इसलिए कभी-कभी इसकी पूर्ति करने वाला उपचार दिया जाता है। इस प्रकार सतह का अदृश्य बल जीवन से भी जुड़ा हुआ है।
पृष्ठ तनाव वह परिघटना है जिसमें अणुओं के आपसी आकर्षण के छोटे-छोटे बल द्रव की सतह पर मिलकर प्रभाव दिखाते हैं। पानी की बूँदों का गोल आकार, वॉटर स्ट्राइडर कीट की चाल, कागज़ के तौलिये का पानी सोखना, डिटर्जेंट की सफ़ाई करने की क्षमता और हमारे शरीर का साँस लेना—ये सभी इस बल से जुड़े हैं।
गिलास के किनारे से ऊपर उभरे पानी को देखकर अणुओं के बीच चल रही अदृश्य रस्साकशी की कल्पना करना ही रोज़मर्रा के जीवन में वैज्ञानिक खोज की पहली सीढ़ी है।
