A kolloidika alapjai. 4. Fluid határfelületek

Átírás

1 A kolloidika alapjai 4. Fluid határfelületek

2 Kolloid rendszerek csoportosítása

3 1. Folyadék-gáz határfelület

4 Folyadék-gáz határfelület -felületi szabadenergia = felületi feszültség ( [γ] = mn/m = mj/m 2 ) a felület egységnyi hosszúságú vonalán, arra merőlegesen ható összehúzó erő egységnyi felület létrehozásához szükséges izoterm reverzibilis munka levegő víz 4.1. ábra Erőhatások folyadék-gáz határfelületen

5 (víz-olaj határfelület) olaj víz

6 felületi feszültség meghatározó módszerek: gyűrűkiszakításos módszer Du Nouy ring method kapilláris emelkedés módszere capillary rise method függő csepp módszer pendant drop method csepp térfogat módszer drop volume method forgó csepp módszer spinning drop method ülő csepp módszer sessile drop method lemezkiszakításos módszer Wilhelmy plate method buboréknyomás módszer bubble pressure method

7 mn/m mn/m

8 mn/m mn/m γ = γ disp + γ pol (vagy + γ met ) (diszperziós, poláris (pl. H-híd) és fémes (kollektív e - -ok) jellegű járulékok

9

10 Eötvös-törvény: γ V 2/3 = k E (T-T K -6) r r ' = henger p K = γ r görbült határfelületek: kapilláris nyomás (Laplace-egyenlet): r gömb* p K = 2 γ r r gömb (szappanbuborék) p K = 4 γ r r r = p belső = p külső + 2γ r

11 folyadékcsepp a gőztérben RT Kelvin-egyenlet pr 2 γ V ln = p r m p < p r > r gőzbuborék a folyadékban Ostwald-féle feldurvulási folyamat (pl. felhő- és csapadékképződés)

12 emulzió R T Ostwald-egyenlet L r ln L = 2 γ ρ M r L < L r > r szol, szuszpenzió Ostwald-féle feldurvulási folyamat

13 Ostwald-féle feldurvulási folyamat (polidiszperz rendszerekben): kezdeti mikroállapot (sok kis részecske) későbbi, feldurvult állapot (kevesebb, nagy részecske)

14 nem-nedvesedés nedvesedés kaplilláris süllyedés Ө>90 o (üveg-hg) p pr kaplilláris emelkedés Ө<90 o (üveg-víz) Kelvin-egyenlet: RT pr 2 γ Vm ln = cosθ p r RT pr 2 γ Vm ln = cosθ p r r r = folyadékcsepp a gőztérben gőzbuborék a folyadékban

15 ld. később, kontakt nedvesedés (S/L határfelület): peremszög Ө

16 folyadékcsepp a gőztérben gőzbuborék a folyadékban

17

18 a kapilláris emelkedés kapcsolata a talaj finomszerkezetével / textúrájával durva szemcsék finom szemcsék kapilláris sugár talaj pórusmérete, sugár (cm) Kapilláris emelkedés (cm) (homok) (agyag) 100

19 a kapilláris emelkedés sebességének kapcsolata a pórusmérettel kapilláris emelkedés (cm) homok agyagos homok agyag idő (nap) a finomabb textúrájú talajokban a kapilláris emelkedés mértéke nagyobb, de sebessége kisebb

20 Kapillaritás és vízmozgás a talajvíz egy része a talajrészecskék körül, a talaj pórushálózatában található a talaj pórushálózata kapilláriscsövek hálózata a kapillárishatás a gravitációs erő ellen hat, a pórusokban tartja a vizet a talajszemcsék felületén adszorbeált (immobilis) kötött víz csökkenti az effektív pórusméretet minél kisebb a pórusméret, és minél jobb a nedvesedés, annál nagyobb a kapilláris emelkedés h = 2 γ cosθ ρ g r

21 oldatok felületi feszültsége: γ dγ <0 dc γ dγ >0 dc pozitív adszorpció (kapilláraktív anyagok) negatív adszorpció (kapillárinaktív anyagok)

22 oldatok felületi feszültsége: cukrok, sók alkoholok, zsírsavak tenzidek

23 Gibbs adszorpciós izoterma egyenlet d γ = Γdµ R T Γ d ln c Γ = c R T d γ d c (dt = dp = 0) γ(c) Γ(c)

24 adszorpció: I II III IV V 1 molekula területigénye: Szyszkowski: γ o γ = A ln (1 + Γ Gibbs: = Langmuir: A = c R T Γ Γ d γ d c = max 1 Γmax 1/ b N A + γ dγ < 0 γ o I dc B c) Γ Γ max c c I II II III III IV IV adszorpciós izoterma (dt=0): V V c c Γ > 0

25 Szyszkowski egyenlet: γ o γ = A ln(1 + Bc) Traube-szabály: B n+1 B n 3.4 (egy homológ soron belül; zsírsavak, alkoholok, aminok,...) (din.cm -1 =mn.m -1 )

26 tenzid nélkül NaDS * = 0.001M 0.001M 0.002M 0.003M 0.004M * NaDS : nátrium dodecil szulfát

27 2. Folyadék/folyadék határfelület olaj γ ov víz

28 határfelületi feszültség meghatározó módszerek: gyűrűkiszakításos módszer Du Nouy ring method kapilláris emelkedés módszere capillary rise method függő csepp módszer pendant drop method csepp térfogat módszer drop volume method forgó csepp módszer spinning drop method ülő csepp módszer sessile drop method lemezkiszakításos módszer Wilhelmy plate method buboréknyomás módszer bubble pressure method

29 L/L határfelületi feszültség mérése: γ > 1 mn/m Donnan-féle sztalagmométer (Donnan-pipetta), cseppszám-módszer

30 L/L határfelületi feszültség mérése: γ mn/m forgó csepp módszer γ = ( ρ b 2 ρ ) ω a 4 r 3 m

31 Antonov szabály: γ ov = γ ' v γ ' o Good: γ ov = ( ) ' ' γ γ 2 v o γ ' v és γ ' o a kölcsönösen telített oldatok felületi feszültsége levegővel szemben

32 (din.cm -1 =mn.m -1 )

33

34 Neumann-szabály: γ γ v ' v = = γ γ o ' o cos cos Θ + γ cos 1 ov Θ ' Θ + γ cos 1 ov Θ 2 2

35 szétterülési együttható: S = γ v γ o γ ov (S ' ' ' = γv γo γ ' ov ) teljes szétterülés esetén: Θ = Θ = teljes szétterülés feltétele: S 0 ( S ' 0)

36

37 adhézió és kohézió (Dupré) olaj egységnyi felület kohézió olaj kohézió szabadenergia változása ill. kohéziós munka: - G K = 2γ o = W K olaj olaj egységnyi felület adhézió olaj i víz adhézió szabadenergia változása ill. adhéziós munka: - G A = γ o + γ v - γ ov = W A víz Szétterülési együttható: S = W A -W K (szétterülés: S $ 0)

38 benzol-víz rendszer olaj levegő víz S = γ V γ OV - γ O S > 0 az olaj vékony film formájában szétterül a víz felszínén S < 0 lencse alakú olajcsepp képződik a víz felszínén példa: egy csepp benzolt ejtünk a víz felszínére γ V = 72.8 mn/m γ B = 28.9 mn/m γ BV = 35.0 mn/m S kezdeti > 0 S végső < 0 γ V = 62,4 mn/m time

39 Monomolekulás filmek

40 Langmuir-mérleg v. filmmérleg A változtatása Γ = N σ /A

41 γ mérése, c változtatása γ o -γ mérése, A változtatása optika Π (torziós szál) Γ=N s /A max A Gibbs momomolekulás réteg Langmuir momomolekulás réteg Π S / γ o γ oldalnyomás; határfelületi nyomás; 2D-nyomás; határfelületi szabadenergia csökkenés; határfelületi feszültség csökkenés

42

43 Langmuir-monoréteg: folyadék folyadék-gáz fázisátmenet ideális gáz

44 Gibbs-monoréteg: γ d γ = Γ d µ Γ k T ln c B µ µ o + k T ln c B

45 Langmuir-monorétegek:

46 Langmuir-monorétegek:

47

48

49

50

51

52

53