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, szétterülés

•  Adszorpció

•  Biológiai határfelületek – http://www.chem.elte.hu/departments/kolloid/KolloidJegyzet_Ver1.0.pdf

A határfelület meghatározása, tipusai Két homogén fázis közötti véges

vastagságú réteg, amelyen belül a sajátságok változnak

Fluid határfelületek: G-L, L1-L 2

Nem-fluid határfelületek : G-S, L-S, S1-S2

Felületaktiv anyag

Molekuláris szinten a határfelület vastagsága jelentős, nem nulla.

A felületaktív anyag feldúsul a felületen, így ez a sajátság nem monoton változik a határfelületen.

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/m2

, ,n p T

dGdA

γ ⎛ ⎞= ⎜ ⎟⎝ ⎠

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.

A összehúzó erő minimális nagyságú felületet alakít ki.

De ez nem a felületi feszültség!!!!

Mackenna aranya 1:10-2:00

http://www.youtube.com/watch?v=fWI3pxCR7Gg

A felületi feszültség: hétköznapi jelenségek

- A levegő víz határfelületi feszültség nagyobb, mint szál-levegő, vagy szál-víz (ilyen példa a homokvár is).

ddFx

γ =

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.

Általános definíció:

g=F/2l

2009.02.11 3. előadás 8

Dupré- kísérlet

F1

F1F1

F1

LL L L

S

Számítási példa

A tű hossza 3,2 cm milyen tömegű tű kell a kísérlethez, hogy ne süllyedjen el

Megoldás: http://scipp.ucsc.edu/~haber/ph5B/bubble.pdf

Kérdés: ugyanez a tű megmarad-e az etilalkohol tetején? Mi történik ha függőlegesen ejtem a tűt a vízre?

gviz = 0.073 N/m getanol = 0.022 N/m

1 g= 0.0098 N

Kb 0.47 g

Walking on Water

http://www.woodrow.org/teachers/bi/1998/waterstrider/student_lab.html

Water Striders & Surface Tension

gNaDS 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?

1 mM 2 mM

3 mM 4 mM

5 mM

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, γAB általában annál nagyobb, minél nagyobb az aszimmetria a határfelületen, azaz a különbség a folyadékok között (ha nincs rendeződés vagy egyéb kölcsönhatás a határfelületen!). γA*; γB* a másik folyadékkal telitett oldat felületi feszültsége.

* *~AB A Bγ γ γ−

Görbült felületek, Laplace-nyomás

A cseppen belül a belső nyomás nő ahogyan a sugár csökken Dp

víz

levegő

p1 p2

p2>p1

Görbült felületnél a két oldali nyomás különbözik, (ez nem gőznyomás, sík felszínnél nulla) Azon az oldalon nagyobb a nyomás amerre a felület „horpad”!

Egyensúlyban a felületi feszültség kompenzálja a nyomáskülönbséget a felszín két oldala között

Dp Szappan buborék

p1

p2>p1

Két felszín van ezért duplázódik 2

m

prγΔ = 4

m

prγΔ =

Folyadék csepphez hasonlóan egy felszín van

levegő

p2

levegő

Kérdés: ha egyforma buborékot fújunk a szappanos vízbe és ugyanabból a levegőbe egyforma lesz-e a belső nyomás?

buborék

Julius Miller 1:20-4:15

•  http://www.youtube.com/watch?v=kvrsAhuvs3M

Felületi feszültség görbült határfelületen 2PrγΔ =a Laplace-egyenlet egyenlet gömb alakú folyadékfelületre:

A szappanbuboréknak két gömb alakú felülete van (kívül és belül)

Görbült felületek, kapilláris nyomás

A víz felemelkedik a kapillárisban a higany lesüllyed. a felületi feszültség és nedvesedési sajátságok különböznek.

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).

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

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

homorú rm < 0 domború rm>0 2

m

prγΔ =

A kapilláris emelkedés, Laplace-nyomás

rk, mm h/m 100 0.1 10 1 1 10 0.1 100

ΔP különböző sugarú vízcseppeknél

A csepp sugara

1 mm 0.1 mm 1 µm 10 nm

ΔP (bar) 0.0014 0.0144 1.436 143.6

forrkő

rk, mm h, m 100 0.1 10 1 1 10 0.1 100

Mérése: kapilláris emelkedés

22 k kr gh rγ π ρ π= Δ12 cghrγ ρ= Δ

Wilhelmy lemez du Noü gyűrű

Ahol rc a kapillaris sugara (m), ρ a sűrűség (kg/m3), h a folyadékoszlop magassága, g gravitációs gyorsulás (m/s2)

A leszakadáskor fellépő erőt mérjük

Gyakorlat (kémia BSc)

Eszközök 2

Görbült felületek feletti gőznyomás Kelvin egyenlet

2ln r L

m

p Vp RT r

γ∞

⎛ ⎞⎛ ⎞ ⎛ ⎞= ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

,rp p∞Ahol

a gőz nyomása (Pa) az rm görbületű meniszkusz (m) és a sík felület felett, VL moltérfogat (m3/mol)

rm > 0 akkor pr/p∞>1

ha rm <0 pr/p∞ <1

Következmények Izoterm átkristályosodás (Ostwald ripening, durvulás) Túltelítés, másodlagos góchatás fázisképződéskor, kapilláris kondenzáció

A folyadék és a gőze egyensúlyban vannak!!

A hőmérséklet hatása

( )2/3 6M E kV k T Tγ = − −

Eötvös Loránd (bevezette a moláris felületi feszültség fogalmát):

p T

d dSdT dAγ⎛ ⎞ ⎛ ⎞= −⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠

Felületi entrópia mindig nő a T-vel a felületi feszültség mindig csökken

Anomáliák!

VM moláris térfogat, Tk kritikus hm.

2,1 10-7 J/(K mol2/3)

Víz, ecetsav~1 asszociáció gőztérben: kE < 2

Glicerin trisztearát ~6 rendezettseg

Ramsay-Shields-Eötvös egyenlet

http://www.elgi.hu/museum/elatud_.htm#label007

http://www-history.mcs.st-andrews.ac.uk/history/Printonly/Eotvos.html

( )2/3E cV k T Tγ = −

Kontakt szög: szétterülés(L/L), nedvesedés(L/S)

2 12 2 1 1cos cosγ γ θ γ θ= +

cosGS LS GLγ γ γ θ= +

egyensúlyban

Miért van az hogy az egyik textília jól felszívja a vizet a másik nem? A nedvesedés az adhézió és kohézió arányától függ .

G

L2

L1

GS LS GLγ γ γ≥ +Teljes nedvesítéskor a szög zérus 2 1 2 12 1cos cosGL L L GLγ γ θ γ θ= +

Kontakt szög, nedvesedés

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.)

Wa-Wk

Adhézió, kohézió, szétterülés

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

Wa=γalsó+γfelső-γhatár

Wk=2γfelső

S=Wa-Wk , szétterülési együttható

12,T p

dGSdA

⎛ ⎞= −⎜ ⎟⎝ ⎠

szétterül ha S>0

felső fázis

szétterül ha S>0

S=γalsó-(γfelső+γhatár) A szétterülési együttható a felület változásával járó szabad entalpia, ellentétes előjellel vagyis a munkavégzés

Hidrofób, hidrofil felületek

Rosszul nedvesedő, θ>90°, (Teflon) Jól nedvesedő, θ<90° (θ=0°)

S

www.metacafe.com/watch/21435/magic_sand/ Impregnálás (beton, bőr, papír, textilia,fa stb.)

http://biodsign.wordpress.com/2008/08/27/lotus-effect-efecto-lotus/ http://www.youtube.com/watch?v=LJtQ6dvcbOg

Az érdesség növeli a peremszöget

http://www.neverwet.com/

Hidrofób felületek

•  Polydimethylsiloxane PDMS .

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 non-stick frying pans as it has very low friction and high heat resistance.

Teflon

Si O

http://www.gunda.hu/e_num/ PDMS az E 900 élelmiszer csomósodás gátló

C H

Impregnálás (beton, bőr, papír, textilia,fa stb.)

Szétterülés, szilárd anyagok felületi feszültségének meghatározása

http://www.boussey-control.com/en/surface-tension/measure-methods.htm

GS LSγ γ>

GS LSγ γ<

S=γalsó-(γfelső+γhatár)

GS GL LSγ γ γ≥ +

Szétterülés: gyakorlati kérdések

12,T P

dGSdA

⎛ ⎞= −⎜ ⎟⎝ ⎠

Skezdeti=72.8-(24.8+6.8)=41.2 mJ/m2

Segyensulyi=28.5-(24.8+6.8)= -2.9 mJ/m2

szétterül ha S>0

Vége 3.

Laplace egyenlet 2prγΔ =

Mechanikai egyensúlyban az eredő erő nulla: 0Pz zF F γΔ + = cos cr

rθ =

( ) 2 2 cos 0c cP P r rα β π π γ θ− − =

( ) 2P P Pr

α β γΔ = − =

A cseppen belüli nyomás nő, ahogyan a sugár csökken

?

Surface tension and curved interface

2PrγΔ =the Laplace equation for a spherical liquid surface:

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.

0Pz zF F γΔ + =

( ) 2( ) (2 ) cos 0c cP P r rα β π π γ θ− − =( ) 2P P P

rα β γΔ = − =

cos crr

θ =

Projected area =prc2

rc radius of spherical cup

Perimeter=2prc