Folyadék-gáz, szilárd-gáz folyadék-folyadék és folyadék-szilárd határfelületek. Adszorpció és orientáció a határfelületen. Adszorpció oldatból és

Átírás

1 Folyadék-gáz, szilárd-gáz folyadék-folyadék és folyadék-szilárd határfelületek. Adszorpció és orientáció a határfelületen. Adszorpció oldatból és elegyből.

2 Görbült felületek, Laplace nyomás levegő p 1 A folyadék felületi feszültsége miatt p 2 >p 1 p 2 Laplace egyenlet: 2 p r Következmény: görbült felület esetén mindig azon az oldalon nagyobb a nyomás amerre a felület görbül

3 Görbült felületek, Laplace nyomás p 1 p 4 r Dupla felszín miatt, kétszeres hatás! p 2 Mi történik?

4 Kapilláris jelenségek homorú felszín domború felszín r m <0 r m >0 A meniszkusz alakja a kohéziós és adhéziós erők viszonyától függ. Ha a kohéziós (folyadékon belüli) erők nagyobbak mint az adhéziós erők (folyadék-szilárd kölcsönhatás), a felszín domború, azaz a folyadék NEM nedvesíti a felületet!

5 Kapilláris jelenségek A kapilláris emelkedésből (vagy süllyedésből) kiszámítható a felületi feszültség. Ilyenkor a nyomáskülönbséget a hidrosztatikai nyomás fedezi. Felületi feszültség mérése 1 2 hgr kap Wilhelm lemez du Nouy gyűrű

6 Kelvin egyenlet Mivel a görbült felület felett más nyomás alakul ki a síkfelszínhez viszonyítva, megváltozik a folyadék tenziója is! ln p p r V m RT 2 r Következmény: Nedvesítő folyadékok esetén (r<0), a görbült felület fölött kisebb a folyadék tenziója» forráspontja növekszik! Kapillárisokban a folyadék könnyebben kondenzálódik! (Kapilláris kondenzáció) Izoterm átkristályosodás. p r, p : a folyadék tenziója a görbült és a sík felszín felett (Pa), V m :moláris térfogat (m 3 /mol), γ: felületi feszültség (N/m), R: gázállandó (J/Kmol), r: kapilláris sugara (m), T: hőmérséklet (K)

7 Nedvesedés, szétterülés, kontakt szög Kontakt szög Θ= Θ1+ Θ2 Θ Tökéletes nedvesedés (szétterülés): Θ=0 o Részleges: 0 o < Θ < 90 o Nem nedvesedik 90 o < Θ <180 o Egyáltalán nem nedvesedik Θ=180 o

8 Nedvesedés, szétterülés, kontakt szög Egyensúlyban: 2 1 cos1 12 cos 2 GS LS GL cos Szétterül (nedvesedik) ha Θ < 90 o 2 ( 1 12) 0 GS ( ) 0 LS GL S alsó ( ) határ felső 0

9 Nedvesedés, szétterülés, kontakt szög

10 Nedvesedés, szétterülés másként A folyadék szétterülése a kohéziós és adhéziós kölcsönhatások viszonyától függ: ha nagyobb a kohéziós erő mint az adhéziós, a folyadékcsepp egyben marad. Adhézió: γ A + γ B -γ AB Kohézió: 2γ A S=adhézió-kohézió= γ A + γ B -γ AB -2γ A = γ B -(γ A +γ AB )

11 Orientáció a felületen Az elrendeződés a Hardy-Harkins elvnek megfelelő: az amfifil molekulák úgy helyezkednek el, hogy a polaritás változása minél folytonosabb legyen.

12 Felületaktív (kapilláraktív), és felületinaktív (kapillár inaktív) anyagok A poláris és apoláris részeket is tartalmazó molekulák poláris oldószerben a felületen felhalmozódnak, így csökkentik annak felületi feszültségét. Az ionos és erősen poláris anyagok a jó szolvatáció miatt- az oldat belsejében halmozódnak fel, így több oldószer kerül a felületre, növelve így a felületi feszültséget (N/m) (N/m) c(mol/m 3 ) c(mol/m 3 )

13 Felületaktivitás leírása A Gibbs-izoterma, és a Gibbs-egyenlet A Gibbs-izoterma: állandó hőmérsékleten a felületaktív anyag koncentrációja (c) és a felületi anyagtöbblet (Γ) közötti kapcsolatot írja le. Γ: Felületi anyagtöbblet (mol/m 2 ) A: 1 molekula felületigénye: (m 2 /db) R: gázállandó (8.314 J/Kmol) T: hőmérséklet (K) c: koncentráció (mol/m 3 ) B: anyagi minőségre jellemző konstans

14 Felületaktivitás leírása A Gibbs-izoterma, és a Gibbs-egyenlet A Gibbs-egyenlet: Leírja a felületi többletkoncentráció (Γ), a koncentráció (c), és a felületi feszültség(γ) kapcsolatát Γ: Felületi anyagtöbblet (mol/m 2 ) γ : felületi feszültség (N/m) R: gázállandó (8.314 J/Kmol) T: hőmérséklet (K) c: koncentráció (mol/m 3 )

15 A felületi réteg fizikai állapota A kétdimenziós monoréteg különböző fizikai állapotokban létezhet hasonlóan a háromdimenzióshoz - Gáz vagy gőz amelyben a molekulák távol és függetlenül mozognak egymástól. Nagy összenyomhatóság jellemzi - Folyadék filmek, kis kompresszibilitás. - A kondenzált és szilárd fázisokban a molekulák szorosan illeszkednek és a felület feléirányítódnak.

16 Filmek, rétegek kialakítása Langmuir-Blodgett

17 Filmek, rétegek kialakítása Langmuir-Blodgett

18 Az adszorpció Definíció: Egy vagy több komponens feldúsulása (pozitív adszorpció), vagy elszegényedése (negatív adszorpció) a felületi rétegben. A megkötődés természete alapján beszélünk fiziszorpcióról, vagy kemiszorpcióról. Fiziszorpció Kemiszorpció kötőerők van der Waals kémiai kötés erősség kis szorpciós entalpia nagy szorpciós entalpia hatótávolság nagy kicsi rétegek száma többrétegű egyrétegű specifitás - + adszorptívum molekulaszerkezete nem változik változik

19 Szorpciós izotermák Az adszorpció mennyiségi viszonyai Az adszorbeálódó komponens nyomása vagy koncentrációja függvényében ábrázoljuk a felületi anyagtöbbletet (Γ) vagy a borítottságot (θ).

20 Langmuir izoterma (I. típus) Gázok fiziszorpciója Tulajdonságok: - az adszorptívum egyrétegben kötődik - a kötőhelyek egymástó függetlenek, és azonos kötődést biztosítanak - Az adszorpció és deszorpció dinamikus egyensúlyt mutat a a bp 1 bp m θ: borítottság, a: adszorbeált anyagmennyiség (mol/g), a m :monoréteg kapacitása (mol/g), b: szorpciós konstans, p: nyomás (Pa)

21 B.E.T izoterma (II., III típus) Brunauer, Emmett, Teller Gázok fiziszorpciója Tulajdonságok: - az adszorptívum többrétegben kötődik - Minden rétegre érvényes a Langmuir egyenlet - Az adszorpció és deszorpció dinamikus egyensúlyt mutat a a m Zp ( p p θ: borítottság, a: adszorbeált anyagmennyiség (mol/g), a m :monoréteg kapacitása (mol/g), Z: szorpciós hőtől függő konstans, p: nyomás (Pa) 0 p) 1 ( Z 1) p / 0

22 Kapilláris kondenzáció (IV., V. típus) Pórusos anyagokon gőzök adszorpciója Tulajdonságok: - az adszorbens pórusos szerkezetű - Az adszorptívum folyadék halmazállapotban nedvesíti a felületet (r m <0) - A pórusokban folyadék jelenik meg