Határfelületi jelenségek: felületi feszültség koncepció

HTML
DOWNLOAD

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "Határfelületi jelenségek: felületi feszültség koncepció"

Valéria Hegedüs
6 évvel ezelőtt
Látták:

1 Határfelületi jelenségek: felületi feszültség koncepció Bányai István 3. óra

2 Kolloidok és a határfelület A kolloidméret felé haladva a fajlagos felület rohamosan növekszik

3 Határfelületi jelenségek A felület fogalma A felületi feszültség Kontaktszög, nedvesedés, szétterülés Adszorpció Biológiai határfelületek

4 A határfelület meghatározása, tipusai Két homogén fázis közötti véges vastagságú réteg, amelyen belül a sajátságok változnak Molekuláris szinten a határfelület vastagsága jelentős, nem nulla, több molekulányi. Felületaktiv anyag Fluid határfelületek: G-L, L 1 -L 2 Nem-fluid határfelületek : G-S, L-S, S 1 -S 2 A felületaktív anyag feldúsul a felületen, így ez a sajátság nem monoton változik a határfelületen.

5 Felületi feszültség A felületi molekulákra anizotrop erőtér hat. Egy befelé húzó nettó erő hat, ami annál nagyobb minél nagyobb az aszimmetria. Miután kialakul a minimális felszín, a mechanikai egyensúly, az eredő erő nulla, a felszín nagysága nem csökken tovább. Növeléséhez munkavégzés, energia kell. Az az erő amely összetartja a felszínt jellemző az anyagra Egységnyi felület szabadentalpiája, J/m 2 dg γ = da n, pt, A összehúzó erő minimális nagyságú felületet alakít ki. De ez nem a felületi feszültség!!!! A felületi feszültség egységnyi új felület kialakulásához szükséges munka izoterm reverzibilis körülmények között, állandó n, p, V mellett tiszta folyadékok esetében. G =γa (tiszta folyadéknál nincsenek egyéb tagok, pl. koncentráció-változás) γ mindig pozitív ezért a felület, A, csak csökkenhet önként ameddig lehet.

6 Mackenna aranya 1:10-2:00 CR7Gg

7 A felületi feszültség: hétköznapi jelenségek - A levegő víz határfelületi feszültség nagyobb, mint szál-levegő, vagy szál-víz (ilyen példa a homokvár is). γ = df dx

felületi feszültség akkor a tárgy úszik a

8 Általános definíció: γ=f/2l A felületi feszültség jele γ, az az erő amely egy képzeletbeli, egységnyi hosszú vonalra hat, és amely erő parallel a felülettel és merőleges a vonalra, N/m. Ha a gravitációs erő kisebb mint a felületi feszültség akkor a tárgy úszik a felületen (rovar, tű, gyűrű). A felület megnöveléséhez munka kell.

9 Dupré- kísérlet L L L L S F 1 F 1 F 1 F előadás 9

Számítási példa A tű hossza 3,2 cm milyen tömegű tű kell a kísérlethez, hogy éppen ne süllyedjen el Megoldás: http://scipp.ucsc.edu/~haber/ph5b/bubble.

10 Számítási példa A tű hossza 3,2 cm milyen tömegű tű kell a kísérlethez, hogy éppen ne süllyedjen el Megoldás: Kérdés: ugyanez a tű megmarad-e az etilalkohol tetején? Mi történik ha függőlegesen ejtem a tűt a vízre? γ viz = N/m γ etanol = N/m Kb 0.47 g 1 g= N

11 Walking on Water Water Striders & Surface Tension 1 mm 2 mm 3 mm 4 mm 5 mm γ NaDS 0.05 M ~ 0.05 N/m Kérdés: milyen nehéz az molnárka amely kb 1cm hosszan érintkezik a felszínnel és, amely az 0.005M os NaDS oldatban éppen elsüllyed?

12 Felületi feszültség, határfelületi feszültség A felületi feszültség annál nagyobb minél nagyobb a molekulák közötti kohézió (diszperziós kölcsönhatás, hidrogén kötés, aromás jelleg, fémes kötés) A határfelületi feszültség,két nem elegyedő folyadék között lép fel, γ AB általában annál nagyobb, minél nagyobb az aszimmetria a határfelületen, azaz a különbség a folyadékok között (ha nincs rendeződés vagy egyéb kölcsönhatás a határfelületen!). γ A *; γ B * a másik folyadékkal telitett oldat felületi feszültsége. * * γ AB ~ γ A γb

13 Görbült felületek kérdése Minél kisebb egy részecske, annál kisebb a görbületi sugár, annál nagyobb a görbület. Minél domborúbb egy felület, annál kevesebb molekula van a szomszédságban. A kolloidok esetében ez lényeges

14 Görbült felületek, Laplace-nyomás Görbült felületnél a két oldali nyomás különbözik, (ez nem gőznyomás, sík felszínnél nulla) Azon az oldalon nagyobb a nyomás amerre a felület horpad! Folyadék csepphez hasonlóan egy felszín van buborék p 2 >p 1 p p 2 >p 1 Szappan buborék p 1 p 2 víz levegő p 1 levegő p 2 Két felszín van ezért duplázódik 2γ p = levegő 4γ r p = m r m Egyensúlyban a felületi feszültség kompenzálja a nyomáskülönbséget a felszín két oldala között A cseppen belül a belső nyomás nő ahogyan a sugár csökken p Kérdés: ha egyforma buborékot fújunk a szappanos vízbe és ugyanabból a levegőbe egyforma lesz-e a belső nyomás?

15 Julius Miller 1:20-4:15

16 Felületi feszültség görbült határfelületen a Laplace-egyenlet egyenlet gömb alakú folyadékfelületre: A szappanbuboréknak két gömb alakú felülete van (kívül és belül) P = 2γ r

Görbült felületek, kapilláris nyomás Görbült felületnél a két oldali nyomás különbözik Mindig azon az oldalon nagyobb a nyomás amerre a felület görbül!

Ha r m a meniszkusz sugara: ha a folyadékon belül van r m >0, és ha kívül van r m < 0.

17 Görbült felületek, kapilláris nyomás Görbült felületnél a két oldali nyomás különbözik Mindig azon az oldalon nagyobb a nyomás amerre a felület görbül! A víz felemelkedik a kapillárisban a higany lesüllyed. a felületi feszültség és nedvesedési sajátságok különböznek. Ha r m a meniszkusz sugara: ha a folyadékon belül van r m >0, és ha kívül van r m < 0. homorú r m < 0 domború r m >0 p = 2γ r m A meniszkusz az adhézió és kohézió arányától függ. Jól nedvesedő felület, nagy adhézió, felkúszik a folyadék. A felületi feszültség egyben tartja a felszínt, és ezért ahelyett, hogy a sarkoknál felkúszna, az egész folyadék felszín felfelé húzódik (leggyengébb láncszem).

1 mm 1 μm 10 nm ΔP (bar) 0.0014 0.0144 1.436 143.

18 A kapilláris emelkedés, Laplace-nyomás A csepp sugara ΔP különböző sugarú vízcseppeknél 1 mm 0.1 mm 1 μm 10 nm ΔP (bar) r k, µm h/mm ,7 1 7, forrkő

19 Mérése: kapilláris emelkedés γ πr = ρghπr 1 γ = ρghr c k k Ahol r c a kapillaris sugara (m), ρ a sűrűség (kg/m 3 ), h a folyadékoszlop magassága, g gravitációs gyorsulás (m/s 2 ) A leszakadáskor fellépő erőt mérjük Wilhelmy lemez du Noü gyűrű

21 Gyakorlat (kémia) Du Nouy-féle gyűrűs tenziométer

22 Eszközök 2

23 Görbült felületek feletti gőznyomás Kelvin egyenlet p γv 2 = p RT rm ln r L p Ahol r, p A folyadék és a gőze egyensúlyban vannak!! r m > 0 akkor p r /p >1 ha r m <0 p r /p <1 a gőz nyomása (Pa) az r m görbületű meniszkusz (m) és a sík felület felett, V L moltérfogat (m 3 /mol) Következmények Izoterm átkristályosodás (Ostwald ripening, durvulás) Túltelítés, másodlagos góchatás fázisképződéskor, kapilláris kondenzáció

trisztearát ~6 rendezettseg V M moláris térfogat, T k kritikus hm. Ramsay-Shields-Eötvös egyenlet http://www.elgi.hu/museum/elatud_.

24 A hőmérséklet hatása Eötvös Loránd (bevezette a moláris felületi feszültség fogalmát): Anomáliák! 2/3 M E k ( 6) γ V = k T T γ = 2/3 V ke Tc T ( ) 2, J/(K mol 2/3 ) Víz, ecetsav~1 asszociáció gőztérben: k E < 2 Glicerin trisztearát ~6 rendezettseg V M moláris térfogat, T k kritikus hm. Ramsay-Shields-Eötvös egyenlet dγ ds = dt da p T Felületi entrópia mindig nő a T-vel a felületi feszültség mindig csökken

25 Vége 3.

26 Laplace egyenlet p = 2γ r P Mechanikai egyensúlyban az eredő erő nulla: F z + F γ z = 0 A cseppen belüli nyomás nő, ahogyan a sugár csökken? rc cosθ = r α P P β πr 2πrγ cosθ = 0 ( ) 2 c ( ) P= P P = c 2 r α β γ

27 Surface tension and curved interface If a fluid interface is curved the pressures on either side must be different. The forces of surface tension are exactly balanced by the difference in the pressure on the two sides of the interface. the Laplace equation for a spherical liquid surface: P = 2γ r F P z + F γ z = 0 cosθ = rc r ( α β) 2 c P P ( πr ) (2 πr ) γ cosθ = 0 c ( ) P= P P = Perimeter=2πr c 2 r α β γ Projected area =πr c 2 r c radius of spherical cup

Hasonló dokumentumok

Határfelületi jelenségek: felületi feszültség koncepció

Határfelületi jelenségek: felületi feszültség koncepció Bányai István www.kolloid.unideb.hu 3. óra Határfelületi jelenségek: fluid határfelületek A felület fogalma A felületi feszültség Kontaktszög, nedvesedés,