Почему пятна от кофе темнее по краям?

Когда пятно от кофе высыхает, по краям происходит большее испарение, чем в центре. В результате жидкость начинает вытекать наружу, что приводит к отложению частиц по краям.

Вы любите кофе? Если да, то у вас наверняка есть сувениры о вашей "любви к напитку", выгравированные на столе, полу, страницах книг, одежде... да, речь идет о том, чего боится каждый любитель кофе - о пятнах от кофе!

А теперь взгляните на одно из них поближе. Вы заметите, что пятна от кофе не превращаются в темно-коричневые кляксы. Вместо этого они оставляют нежный коричневый оттенок, окруженный тонкой темной каймой.

Вы когда-нибудь задумывались, почему пятно распределяется именно так?

Кофе: Раствор или суспензия?

Базовая чашка кофе готовится путем смешивания молотых кофейных зерен с горячей водой. Чашка этой ароматной смеси - идеальный напиток для борьбы с напряженным днем. Буквально, кофе - это "решение" всех жизненных проблем, но в химическом мире является ли кофе также "раствором"?

Кофе состоит из растворенных и нерастворенных масел, а также изрядного количества плавающих в нем частиц разного размера. Следовательно, кофе действительно является раствором, но его также справедливо называть суспензией или даже коллоидом.

Эффект кофейного кольца

Когда вы проливаете кофе, первоначально все взвешенные частицы распределяются более или менее равномерно по всему объему капель кофе.

Однако по мере высыхания кофе эти мельчайшие частицы и красители начинают скапливаться по краям, образуя кольцо вокруг пятна. Ученые причудливо называют это явление эффектом кофейного кольца.

Но что заставляет эти частицы двигаться к краю?

Наука о кофейной капле: Когезия, адгезия и поверхностное натяжение

Молекулы таких жидкостей, как кофе, очень цепкие. Они всегда стараются тесно прижаться к другим молекулам кофе. Эта тенденция схожих молекул прилипать друг к другу называется когезией.

Благодаря когезии молекулы на поверхности жидкости сильно притягиваются к внутренним молекулам основной массы.

Это сильное натяжение, испытываемое поверхностными молекулами, мы называем поверхностным натяжением. Поверхностное натяжение заставляет поверхность жидкости сжиматься и оседать в состоянии, когда она имеет наименьшую площадь поверхности. Форма, которая обеспечивает наилучшее расположение с наименьшей площадью поверхности, — это сфера.

Следовательно, когезионные силы всегда стремятся сохранить каплю сферической!

Однако мы никогда не видели идеально сферическую каплю кофе, случайно оказавшуюся на столе. Почему? Потому что молекулы жидкости притягиваются не только друг к другу, но и к молекулам поверхности. Такое притяжение между различными видами молекул называется адгезией.

В отличие от когезии, адгезия стремится сплющить каплю жидкости.

В зависимости от силы когезионных и адгезионных сил, а также от характера поверхности, капля может быть ближе к сфере или к тонкой плоской массе. В идеале капля оказывается где-то посередине... в виде сферического купола.

Достигнув стабильного состояния, капля изо всех сил старается его сохранить.

Что происходит, когда капля высыхает?

Когда капля кофе падает на поверхность, происходит нечто интересное. Край капли прикрепляется или "прижимается" к бороздкам на поверхности. Это "прижатие краев" необходимо для возникновения эффекта кофейного кольца.

После прикрепления края капли не сдвигаются с места, и жидкость начинает высыхать за счет испарения и небольшого поглощения. Однако скорость испарения неравномерна по всей поверхности.

Исследования показывают, что скорость испарения выше по краям, где жидкость соприкасается с воздухом и твердой поверхностью.

Поскольку капля толще в центре, а испарение больше по краям, по мере высыхания капля приобретает следующий вид:

Однако, как уже говорилось ранее, жидкости очень придирчивы к своей форме. Как только их плоская куполообразная форма нарушается, они пытаются вернуться к своей стабильной форме. Для этого жидкости из центра устремляются к краям и заполняют высыхающие участки.

Этот процесс пополнения продолжается в течение всего процесса высыхания.

Таким образом, во время высыхания внешняя граница капли остается неподвижной, но она становится все более плоской и плоской.

А как же насчет частиц кофе?

По мере того как жидкость продолжает вытекать наружу, частицы кофе также вымываются вдоль закрепленного края. Затем сферические частицы кофе плотно располагаются по краям.

Таким образом, когда весь объем жидкости испаряется, остается только куча темно-коричневых частиц кофе, скопившихся на границе. Именно это мы и наблюдаем как потемневший край кофейного пятна.

Некоторые пятна являются неоднородными

Не все пятна от кофе в итоге превращаются в идеально темное кольцо. Некоторые пятна имеют тонкую границу вокруг себя, в то время как другие выглядят как пятнистое месиво.

Как мы уже говорили ранее, в зависимости от когезии и адгезии форма капли жидкости меняется, и, в свою очередь, меняется и исходящий поток. Это влияет на осаждение частиц, поэтому иногда вместо колец получаются пятна.

Эффект кофейного кольца преобладает во многих других жидкостях, кроме кофе. Устранение или предотвращение этого эффекта необходимо в таких областях, как нанесение покрытий, производство красок и печать, где равномерное нанесение цвета является обязательным.

Исследования показывают, что присутствие поверхностно-активных веществ, таких как мыло и частицы эллипсоидной формы, может смягчить этот эффект. Исследования в этой области все еще продолжаются.