Fluid-fluid hat árfelületek, a felületi feszültség
description
Transcript of Fluid-fluid hat árfelületek, a felületi feszültség
Fluid-fluid határfelületek, a felületi feszültség
Kondenzált fázsokban a molekulák közt rövid távú vonzó kölcsönhatások lépnek fel:
- diszperziós (van der Waals) vonzás (pl. CCl4, alkánok...)- dipól-dipól kölcsönhatás (pl. aceton, acetonitril...)- hidrogénhídkötések (pl. víz, alkoholok...)- fémes kötés (pl. higany)
A tömbfázis belsejében ezek a vonzóerők izotrópan hatnak a molekulákrakondenzált/gáz határfelületen viszont a vonzás a fázis belseje felé hat
A felületen lenni extra energiát igényel (a részecske „lemond” a vonzó kölcsönhatások egy részéről)
Ezért a magára hagyott csepp gömb alakot vesz fel (minimalizálja a felületét)
AF f dAdF f
Extra felületi szabadenergia jellemzése: felületi feszültség
Definíció: Egységnyi felület létrehozásához szükséges izoterm, reverzibilis munka
, ill. ennek differenciális változása:
Folyadék/folyadék határfelület: a részecskékre ható erő a felületen aszimmetrikus, a felületi feszültség a két folyadékra jellemző érték közé esik
A felületen lenni extra energiát igényel (a részecske „lemond” a vonzó kölcsönhatások egy részéről)
Felületi szabadenergia:
Felületi erők típusa szerint a felületi feszültség tagokra bontható (pl. víz esetén van der Waals és hidrogénhídkötéses járulékra)
Antonov szabály:
iinpVTSU A
AnpVTSUG ii
AdnpdVTdSdUdG ii
dAdnpdVTdSdU ii
Felületi feszültség mérése:
- kapillárisemelkedés módszere:
ghr gf 2
1
Felhúzott folyadékoszlop súlya:
Felületi feszültségből származó erő: r2
Egyensúlyban: ghrr 22ghr 2
Innen2
ghr
R
F
4
- kiszakításos módszerek: adott alakú testnek a folyadékból
való kiszakításához szükséges erőt mérjük
gyűrű:
: korrekciós tényező (tapasztalati) (nem pont függőleges az erő, a kihúzott folyadék bonyolult
alakja...)
Felületi feszültség mérése:
- kiszakításos módszerek: adott alakú testnek a folyadékból
való kiszakításához szükséges erőt mérjük
)(2 yx
WF
Wilhelmy lemez:
időbeni változásának mérése: a Wilhelmy lemez állandó
bemerülési magasságon tartásához
szükséges erőt mérjük
Felületi feszültség mérése:
Felületi feszültség mérése:
- csepptömeg módszer: kapilláris végéről leszakadó csepp
tömegét mérjük, ebből határozzuk meg -t: r
mg
2
: korrekciós tényező (tapasztalati) (nem pont függőleges az erő, nem az egész csepp szakad ki...)
- csepptérfogat módszer: (folyadék-folyadék határfelületek)
csepp térfogatából számítjuk ki a tömegét
Felületi feszültség mérése:
- csepprofil analízis: ülő vagy függő csepp alakjából következtetünk értékérecseppalak és közt egy differenciálegyenlet teremt kapcsolatot
H
dg egf2
ahol H az S=ds/de alakfaktorból számítható az említett differenciálegyenlet alapján
Felületi feszültség mérése:
- forgó csepp módszer: (folyadék-folyadék határfelületek)
a kisebb sűrűségű folyadék cseppje deformálódik
a nagyobb sűrűségű folyadékban forgatás hatására
4
32mab r
Alacsony hatátfelületi feszültség mérésére ideális
rm: a csepp mért átmérője
Görbült határfelületek
oldékonyság
Oldatok felületi feszültsége
Felületi feszültség hőmérsékletfüggése
Eötvös törvény: 3 2
)(
m
kritE
V
TTk
kE Eötvös állandó
Tkrit kritikus hőmérséklet
”ideális” eset
eltérés: - asszociálódó molekulák - határfelületen orientációs rendezettséget mutató molekulák
Eötvös törvény csak azon hőmérséklet fölött érvényes, ahol ez az asszociáció ill. orientációs rendezettség megszűnik
0
0)()()( 0
X
BX
A dXXdXXX
G
G
X
Bvv
X
vAv dXXdXX )()(
G
G
X
BX
A dXXdXX )()(
Tekintsük a felületet matematikai síknak. Ekkor a válasz függ attól, hogy ez az elválasztó sík pontosan
hol helyezkedik el. Ha az elválasztó sík helye X0, akkor a felületi többlet :
Az elválasztó síkot úgy célszerű megválasztani, hogy az oldószer (víz) felületi többlete éppen 0
legyen (Gibbs-féle elválasztó felület):
A felületi többletet is célszerű az XG Gibbs-féle elválasztó felületre vonatkoztatni:
ez az úgynevezett Gibbs-féle felületi többlet.
A Gibbs-féle elválasztó felület és a Gibbs felületi többlet
Egy vizes oldatban az oldott (felületaktív) molekula feldúsol a felületen.
Kérdés: mi a molekula tömbfázishoz viszonyított többletkoncentrációja a
felületen?
ahol A ill B az adott komponens sűrűsége az A ill. B tömbfázisban.
Az oldat felületi feszültsége és az oldott anyag Gibbs-féle felületi többlete között a Gibbs egyenlet teremt kapcsolatot
AddAdndnVdPpdVSdTTdSdU iiiiFormálisan:
AddnVdPSdT ii0a két egyenletet kivonva egymásból:
iiii dd
A
nd Ha T és p állandó, akkor
BBAA ddd Ha a rendszerünk pedig két komponensű (A: oldószer, B: oldott anyag) akkor
BBd Ha a határfelület éppen az XG Gibbs-féle elválasztó felület, akkor A = 0, és így
BBB aRT ln0 BB
BB daa
RTaRTdd1
ln Mivel , így
A Gibbs egyenlet levezetése
dAdnpdVTdSdU ii ugyanakkor
AdnVdPSdTd ii /)( azaz
, tehát BB
BΓda
a
RTd
B
BB da
d
RT
a átrendezve
B
BB dc
dγ
RT
cΓ , vagy híg oldat esetén a Gibbs egyenlet
Olajat cseppentünk a víz felszínére. Kérdés: Milyen alakot vesz fel az olaj?A következő három lehetőség egyike valósul meg:
Szétterülési jelenségek
3.) Monomolekuláris filmként szétterül, a feleslegben lévő olaj cseppként visszamarad
1.) Lencse (csepp) alakú marad (nem terül szét)
2.) Duplex filmként szétterül (a duplex film olyan vékony film, melynek azért még két, egymástól független határfelülete – víz/olaj ill. levegő/olaj – van).
víz
levegő
olaj
Olajat cseppentünk a víz felszínére. Kérdés: Milyen alakot vesz fel az olaj?A következő három lehetőség egyike valósul meg:
Szétterülési jelenségek
3.) Monomolekuláris filmként szétterül, a feleslegben lévő olaj cseppként visszamarad
1.) Lencse (csepp) alakú marad (nem terül szét)
2.) Duplex filmként szétterül (a duplex film olyan vékony film, melynek azért még két, egymástól független határfelülete – víz/olaj ill. levegő/olaj – van).
SdAdAdF VOVOf
Ha az olajcsepp által elfoglalt terület dA-val megnő, akkor a felületi szabadenergia változása
ahol S az úgynevezett szétterülési együttható: S=V-(O+OV)
S < 0 (dFf > 0) nem terül szét
S > 0 (dFf < 0) spontán szétterül
Olaj S / mN m Következtetés
n-hexadekán -9.3 vízen nem terül szét
n-oktán +0.2 tiszta vízen szétterül
1-oktanol +36.8 szennyezett vízen is szétterül
Ilyenkor megindul a szétterülés, majd egy idő után leáll. Ekkor a víz felszíne monomolekulás rétegben borított az olajjal, a maradék olaj pedig lencsét alkot
Példák:
Szennyezések hatása: általában csökkentik értékét a levegővel vett határfelületen
víz szennyeződése: S-t csökkenti, szétterülést gátolja
olaj szennyeződése: S-t növeli, szétterülést segítiS=V-(O+OV)
Pl. 1-hexanol esetén - tiszta folyadékokra: V=72.8 mN/m, O=24.8 mN/m, S = +41.2mN/m szétterül
- kölcsönösen telített folyadékokra: V=28.5 mN/m, O=24.7 mN/m, S = -3.0mN/m nem terül szét
A felületi feszültséget, és így a szétterülést is befolyásolja a víz és az olaj egymásban való oldódása.
A másik fázisba beoldódott molekulák a fázis felületén feldúsulnak (adszorbeálódnak), és így a levegőre vonatkoztatott felületi feszültséget csökkentik, ez a jelenség V esetén sokkal jelentősebb