Határfelületi jelenségek:szétterülés és nedvesítés

Bányai István

Kolloid.unideb.hu

1

A felületi feszültség koncepció

• A felületi feszültség a felület egységnyivonaldarabjára ható, arra merőleges a és felületsikjában ható erő: N/m

• A felületi feszültség egységnyi felületszabadentalpiája, ha T, p és n állandó (pl. tisztafolyadék) J/m2

• Állandó hőmérsékleten és nyomáson a felületcsökkenése a termodinamikailag kedvező folyamat, azaz γ > 0.

2

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

cosGS LS GL

egyensúlyban

Miért van az hogy az egyik textília jól felszívja a vizet a másik nem?

A nedvesedés az adhézió és kohézió arányától függ .

G

L1

GS LS GL

Teljes nedvesítéskor a szög zérus g

GL2

= gL

1L

2

cosq2+g

GL1

cosq1

Adhézió, kohézió: fenomenológikusértelmezés

• 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

Adhézió, kohézió

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 felső fázis

A szétterülési együttható a felület változásával járó szabad entalpia, ellentétes előjellel vagyis a munkavégzés

Folyamatok: vég - kezdeti

A szétterülés folyamata (fehérből kék!!)

• 1.lépés– A S/L felület dA-vel nő

– A munka: dG = γSLdA, dA > 0

• 2. lépés– A L/G felület ugyanennyivel nő

– A munka: dG = γLGdA, dA > 0

• 3. lépés– A S/G határfelület dA-val csökken

– A munka dG = γSGdA, dA < 0

A végzett munka: dW = dG = (γSL+ γLG- γSG)dA

integrálva G = WK-WA

Definíció: S = WA – WK szétterülési együttható

6

S=γalsó-(γfelső+γhatár) szétterül ha S>0

Kontakt szög, nedvesedés L/S (ököl szabály)

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 okán. (Fémek, papír jól ragaszthatók, a műanyagok kevésbé.)

S = Wa-Wk

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 .

Polysiloxanok hidrofóbak, jó víztaszító sajátságúak továbbá nem ragadnak össze.A gázokat áteresztik a vizet nem, így jó védőbevonatok.

A Si-O egységek miatt jó adhézívtulajdonságúak, 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.

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 L/L: gyakorlati kérdések

12

,T P

dGS

dA

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

S=γalsó-(γfelső+γhatár)

Szétterülés: szilárd felületek mérése

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

GS LS

GS LS

S=γalsó-(γfelső+γhatár)

GS GL LS

Adszorpció L/G és L/Lhatárfelületen

Adszorpció az a folyamat, amelynek eredményeképpen a határrétegben egy

komponens koncentrációja eltér a tömbfázisétól. (pozitív és negatív)

12

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”

Elegyek felületi feszültsége

Nem tökéletesen additív, azaz nem lineárisan változik, ami azt mutatja hogy a mólarány ahatárfelületen felületen különbözik a közegben lévőtől.

Fig. 8. Surface tension () as a function of the liquid mole fraction (x1) for the systemhexane (1) + THP (2) at 303.15 K and 101.3 kPa. ()

Felületaktivitás és inaktivitás

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)

Bn+1/Bn ~3

Ugyanolyan hatáshozharmadannyi anyag kell,ahogyana szénatom-szám eggyel nő

Felület-inaktivitás

Erős elektrolitok, sóoldatok

0 1 kc

k függ a liotróp sortól, a

hidratációval nő

Li+>Na+>K+>Rb+>Cs+>Fr+

ionsugár

Hidratált ionsugár

Minél inkább hidratálódik annál jobban elszegényedik a felület az adott anyagból

Gibbs-féle egyenlet és izoterma

A Gibbs adszorpciós egyenlet két formában ismert híg oldatokra:

c d

RT dc

1

ln

d

RT d c

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 pozitívha dγ/dc negativ, ekkor a felületi feszültség csökken a koncentráció növelésével. (és fordítva)

1

A Bc

RT Bc

levezetés

Gibbs-féle egyenlet

i

c d

RT dc

1

lni

d

RT d c

Meredekség (tg a

Felületi feszültségFelületi feszültség

Gibbs-féle izoterma

1

A Bc

RT Bc

0.0E+00

5.0E-07

1.0E-06

1.5E-06

2.0E-06

2.5E-06

3.0E-06

3.5E-06

4.0E-06

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

c, mol/l

c, m

ol/m

2

y = 235362x + 20135

R2 = 0.9983

0.0E+00

2.0E+05

4.0E+05

6.0E+05

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

c, mol/l

/c

, l/

m2

1c c

B

1molekula

A

AN

Am (vagy sm, fm ) 1 molekula rendelkezésére

álló felület

21, /m mol

Az adszorpciós izoterma, az adszorpció egyensúlyát jellemző egyenlet, és grafikon,amely a felületi koncentráció és a tömbfázisbeli koncentráció közötti összefüggés.

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.

Langmuir monoréteg

0

0

0 0A A kT

Reális „gázszerű” (folyadék jellegű) filmre (van der Waals):

oldalnyomás

Ideális „gáz-szerű”filmre

A kT

A0 (or f or s) egy molekulára jutó felület

0

A tiszta víz felé mozdul!!Agnes Pockels - Making

History at the Kitchen

Sink

Agnes Pockels, Irving Langmuir es Katharine Blodgett

http://cwp.library.ucla.edu/Phase2/Pockels,_Agnes@871234567.html

Nature, March 12 1891

P-A görbe mirisztin sav

sm olajsav, elaidinsav