Határfelületi jelenségek: szétterülés és nedvesítés

Átírás

1 Határfelületi jelenségek: szétterülés és nedvesítés Bányai István Kolloid.unideb.hu 1

2 A felületi feszültség koncepció A felületi feszültség a felület egységnyi vonaldarabjára ható, arra merőleges a és felület sikjában ható erő: N/m A felületi feszültség egységnyi felület szabadentalpiája, ha T, p és n állandó (pl. tiszta folyadék) J/m 2 Állandó hőmérsékleten és nyomáson a felület csökkenése a termodinamikailag kedvező folyamat, azaz γ > 0. 2

3 G Határfelületek jellemzése: Kontakt szög: szétterülés(l/l), nedvesedés(l/s) egyensúlyban L 1 g GL2 = g L1 L 2 cosq 2 +g GL1 cosq 1 cos GS LS GL Teljes nedvesítéskor a szög zérus GS LS GL Miért van az hogy az egyik textília jól felszívja a vizet a másik nem? A nedvesedés az adhézió és kohézió arányától függ.

4 Adhézió, kohézió: fenomenológikus értelmezés A folyadékrészek között vonzóerők lépnek fel. Egy anyag részecskéi között fellépő vonzóerőt kohéziós erőnek nevezzük. (felületi feszültség a megjelenése) Az adhéziós erő A különböző anyagi minőségű, egymással érintkező testek részecskéi között fellépő erőhatásokat adhéziós erőknek nevezzük. A nedvesítő tulajdonság (víz-üveg-levegő, Hg-üveg-levegő) A vízrészecskék közötti kohéziós erők kisebbek, mint a víz és az üveg között fellépő adhéziós erők, míg a higany esetében mindez pontosan fordítva van. Mindezt úgy is szoktuk fogalmazni, hogy a víz nedvesíti, a higany nem nedvesíti az üveget. A nedvesítő tulajdonság tehát az adhéziós és kohéziós erők viszonyán múlik. A nedvesítés mindig a két anyag egymáshoz viszonyított tulajdonsága. 4

5 Adhézió, kohézió Folyamatok: vég - kezdeti W a =γ alsó +γ felső -γ határ W k =2γ felső felső fázis Def: Az adhéziós munka két egymással nem elegyedő folyadék között egyenlő az egységnyi felületük szétválasztásához és egyúttal két új, tiszta folyadék-levegő határfelület létrehozásához szükséges munkával. Ábra a) kép Def: A kohéziós munka egy egynemű folyadék esetében az a munka, amely ahhoz szükséges hogy a folyadék egységnyi keresztmetszetét szétválasszuk. Ábra b) kép A szétterülési együttható a felület változásával járó szabad entalpia, ellentétes előjellel vagyis a munkavégzés

6 A szétterülés folyamata (fehérből kék!!) 1.lépés A S/L felület da-vel nő A munka: dg = γ SL da, da > 0 2. lépés A L/G felület ugyanennyivel nő A munka: dg = γ LG da, da > 0 3. lépés A S/G határfelület da-val csökken A munka dg = γ SG da, da < 0 A végzett munka: dw = dg = (γ SL + γ LG - γ SG )da integrálva G = W K -W A Definíció: S = W A W K szétterülési együttható S=γ alsó -(γ felső +γ határ ) szétterül ha S>0 6

7 Kontakt szög, nedvesedés L/S (ököl szabály) S = W a -W k Amikor az adhéziós erő nagyobb mint a kohéziós akkor, a folyadék hajlamos nedvesíteni a felületet (kis kontakt szög), amikor az adhéziós erő kisebb mint a kohéziós, akkor a folyadék nem hajlandó nedvesíteni a felületet (nagy kontakt szög) Kvalitatív kép: amikor a szilárd felületi feszültsége nagyobb mint a folyadéké, akkor annak felülete csökken a kisebb felületi energia elérése

8 Hidrofób, hidrofil felületek Az érdesség növeli a peremszöget S Rosszul nedvesedő, θ>90, (Teflon) Jól nedvesedő, θ<90 (θ=0 ) Impregnálás (beton, bőr, papír, textilia,fa stb.)

9 Hidrofób felületek Polydimethylsiloxane PDMS. PDMS az E 900 élelmiszer csomósodás gátló C H Si O Teflon Polysiloxanok hidrofóbak, jó víztaszító sajátságúak továbbá nem ragadnak össze. A gázokat áteresztik a vizet nem, így jó védőbevonatok. A Si-O egységek miatt jó adhézív tulajdonságúak, azaz könnyű bevonatot készíteni velük. A polimer szerkezetük olyan, hogy rugalmasak, azaz jól bírják a hajtogatást. Antisztatikus tulajdonságúak. Polytetra-fluoroetén (PTFE) (a Teflon ) kicsi a felületi feszültsége, semmi nem tapad rá. Hőálló. Impregnálás (beton, bőr, papír, textilia,fa stb.)

10 Szétterülés L/L: gyakorlati kérdések S 12 dg da TP, szétterül ha S>0 S kezdeti =72.8-( )=41.2 mj/m 2 S=γ alsó -(γ felső +γ határ ) S egyensulyi =28.5-( )= -2.9 mj/m2

11 Szétterülés: szilárd felületek mérése S=γ alsó -(γ felső +γ határ ) GS LS GS GL LS GS LS

12 Adszorpció L/G és L/L határfelületen Adszorpció az a folyamat, amelynek eredményeképpen a határrétegben egy komponens koncentrációja eltér a tömbfázisétól. (pozitív és negatív) 12

13 Adszorpció és orientáció a határfelületen Hardy-Harkins elv: A legfolytonosabb átmenet vagy a polaritások kiegyenlítődésének az elve. A határfelületi feszültség csökkentésének módja az amfifil molekulák többlet koncentrációja a felületen

14 Elegyek felületi feszültsége Nem tökéletesen additív, azaz nem lineárisan változik, ami azt mutatja hogy a mólarány a határfelületen felületen különbözik a közegben lévőtől. Fig. 8. Surface tension () as a function of the liquid mole fraction (x1) for the system hexane (1) + THP (2) at K and kpa. ()

15 Felületaktivitás és inaktivitás B n+1 /B n ~3 Ugyanolyan hatáshoz harmadannyi anyag kell, ahogyan a szénatom-szám eggyel nő Számos szerves poláros oldott anyag csökkenti a víz felületi feszültségét. Ezek hajlamosak felhalmozódni (adszorbeálódni) az oldat felületén és monomolekulás réteget alkotni. A felületaktivitás nő a szénatom számmal (kb. háromszoros)

16 Felület-inaktivitás Erős elektrolitok, sóoldatok 0 1kc k függ a liotróp sortól, a hidratációval nő ionsugár Li + >Na + >K + >Rb + >Cs + >Fr + Hidratált ionsugár Minél inkább hidratálódik annál jobban elszegényedik a felület az adott anyagból

17 Gibbs-féle egyenlet és izoterma A Gibbs adszorpciós egyenlet két formában ismert híg oldatokra: c d RT dc 1 d RT d ln c A RT Bc 1 Bc ahol c a koncentráció (mol m -3 ), T (K) a hőmérséklet. R (8.314 JK- 1 mol-1), (Nm -1 ) a felületi feszültség, és Γ (mol m -2 ) a felületi többlet koncentráció. Következik az egyenletből, hogy Γ pozitív ha dγ/dc negativ, ekkor a felületi feszültség csökken a koncentráció növelésével. (és fordítva) levezetés

18 Gibbs-féle egyenlet Felületi feszültség Felületi feszültség c d i 1 d i RT dc RT d ln c Meredekség (tg a

19 Gibbs-féle izoterma A RT Bc 1 Bc c c 1 B 6.0E E E E E+05 c, mol/m 2 2.5E E E-06 /c, l/m 2 2.0E+05 y = x R 2 = E E E c, mol/l 0.0E c, mol/l 1, m 2 / mol 1 A A molekula m (vagy s m, f m ) 1 molekula rendelkezésére N álló felület A Az adszorpciós izoterma, az adszorpció egyensúlyát jellemző egyenlet, és grafikon, amely a felületi koncentráció és a tömbfázisbeli koncentráció közötti összefüggés.

20 Monomolekuláris felületi rétegek 1. változat Gibbs-féle monoréteg képződik a folyadékfázisban jól oldódó, és a határfelületen felhalmozódó vegyületből. Ezt tárgyaltuk meg! 2. változat Langmuir-Blodgett egyszeres vagy többszörös réteg képezhető egy a folyadék szubfázisban nem oldódó vegyületből szilárd felületre áthelyezve.

21 Nature, March Langmuir monoréteg Agnes Pockels - Making History at the Kitchen Sink 0 A tiszta víz felé mozdul!! 0 oldalnyomás 0 Ideális gáz-szerű filmre Reális gázszerű (folyadék jellegű) filmre (van der Waals): A A kt 0 0 A kt A 0 (or f or s) egy molekulára jutó felület Agnes Pockels, Irving Langmuir es Katharine Blodgett

22 P-A görbe mirisztin sav s m olajsav, elaidinsav