Határfelületi jelenségek: felületi feszültség koncepció

Átírás

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

2 Határfelületi jelenségek: fluid határfelületek A felület fogalma A felületi feszültség Kontaktszög, nedvesedés, szétterülés Adszorpció Biológiai határfelületek

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

4 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 energia kell. Az az erő amely összetartja a felszínt jellemző az anyagra Egységnyi felület szabadentalpiája, J/m 2 dg γ = da npt,, 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.

5 Mackenna aranya 1:10-2:00 v=fwi3pxcr7gg

6 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

7 Általános definíció: g=f/2l A felületi feszültség jele γ, az az erő amely egy képzeletbeli, egységnyi hosszú vonal mentén 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.

8 Dupré- kísérlet L L L L S F 1 F 1 F 1 F előadás 8

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

10 Walking on Water Water Striders & Surface Tension 1 mm 2 mm 3 mm 4 mm 5 mm g 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?

11 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

12 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 Dp p 2 >p 1 Szappan buborék p 1 p 2 víz levegő p 1 levegő p 2 Két felszín van ezért duplázódik 2γ Δ p = levegő 4γ r Δ 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 Dp Kérdés: ha egyforma buborékot fújunk a szappanos vízbe és ugyanabból a levegőbe egyforma lesz-e a belső nyomás?

13 Julius Miller 1:20-4:15

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

15 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 Δ 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).

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

17 r k, mm h, m

18 Mérése: kapilláris emelkedés γ π ρ π 2 2 r k =Δ gh r k 1 γ = Δρghr c 2 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

19 Gyakorlat (kémia BSc)

20 Eszközök 2

21 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

22 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

23 Kontakt szög: szétterülés(l/l), nedvesedés(l/s) egyensúlyban G L 1 L 2 γ = γ cosθ + γ cosθ γ = γ cosθ + γ cosθ GL L L 2 GL γ = γ + γ cosθ GS LS GL Teljes nedvesítéskor a szög zérus γ γ + γ 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.

24 Kontakt szög, nedvesedés W a -W k Amikor az adhéziós erő nagyobb mint a kohéziós akkor, a folyadék hajlamos nedvesíteni a felületet, amikor az adhéziós erő kisebb mint a kohéziós, akkor a folyadék nem hajlandó nedvesíteni a felületet Kvalitatív kép: amikor a szilárd felületi feszültsége nagyobb mint a folyadéké, akkor annak felülete csökken a kisebb felületi energia elérése okán. (Fémek, papír jól ragaszthatók, a műanyagok kevésbé.)

25 Adhézió, kohézió, szétterülés W a =γ alsó +γ felső -γ határ W k =2γ felső felső fázis S=W a -W k, szétterülési együttható szétterül ha S>0 dg = 12 da T, p 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 S szétterül ha S>0 S=γ alsó -(γ felső +γ határ )

26 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.)

27 Hidrofób felületek Polydimethylsiloxane PDMS. PDMS az E 900 élelmiszer csomósodás gátló C H Si O Polysiloxanes is hydrophobic and is good water repellant, as well as being slippery so other substances will not stick to it either. Also, since it is permeable to gases while being impermeable to particles, it is a good protective coating. The bonding is strong and so the polymer can be used as a good adhesive as well. These three applications are also enhanced because of the flexibility of the polymer going on in the application. Anti static, anti fog properties. Polytetrafluoroethylene (PTFE) is a fluoropolymer Teflon is often used to coat nonstick frying pans as it has very low friction and high heat resistance. Teflon Impregnálás (beton, bőr, papír, textilia,fa stb.)

28 Szétterülés, szilárd anyagok felületi feszültségének meghatározása S=γ alsó -(γ felső +γ határ ) γ GS < γ LS γgs γ γ GL + LS γ GS > γ LS

29 Szétterülés: gyakorlati kérdések S 12 dg = da TP, szétterül ha S>0 S kezdeti =72.8-( )=41.2 mj/m 2 S egyensulyi =28.5-( )= -2.9 mj/m2

30 Vége 3.

31 Laplace egyenlet Δ p = 2γ r P Mechanikai egyensúlyban az eredő erő nulla: F Δ 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 ( ) Δ P= P P = c 2 r α β γ

32 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: Δ P = 2γ r F Δ P z + F γ z = 0 cosθ = rc r ( α β) 2 c P P ( πr ) (2 πr) γ cosθ = 0 c ( ) Δ P= P P = Perimeter=2pr c 2 r α β γ Projected area =pr c 2 r c radius of spherical cup