- Meghatározás
- A munka és az energia meghatározása
- A felületfeszültség egyenlete és egységei
- A felületek közötti feszültség mérése
- Wilhelmy lemez módszer
- Du Nouy gyűrűs módszer
- Csepegtető módszer
- Forgó csepp módszer
- Irodalom
A felületközi feszültség (γ) a hosszúság egységnyi nettó erő, amelyet egy fázis (szilárd vagy folyékony) és egy másik (szilárd, folyékony vagy gáznemű) érintkezési felületére gyakorolnak. A nettó erő függőleges az érintkező felülethez és a fázisok belseje felé irányul.
Ha az egyik fázis gáz, akkor általában felületi feszültségnek nevezik. Az érintkezésben lévő fázisok nem keverhetők, vagyis nem oldódnak együtt oldat kialakulása céljából. A fázisok közötti érintkezési terület az elválasztásnak nevezett geometriai felület. A felületek közötti feszültséget az interfészen lévő intermolekuláris erők okozzák.
Erők a folyadék molekulái között, érintkezve a levegővel
A felületközi feszültség fontos szerepet játszik számos felületközi jelenségben és folyamatban, például az emulzió előállításában és az olaj előállításában.
Meghatározás
Az interfész tulajdonságai nem azonosak az érintkezésben lévő fázisok tulajdonságaival, mivel a különböző molekuláris kölcsönhatások nyilvánulnak meg, mivel ebben a régióban vannak molekulák, amelyek mind az egyik, mind a másik fázishoz tartoznak.
A fázisban levő molekulák kölcsönhatásba lépnek a szomszédos molekulákkal, amelyek hasonló tulajdonságokkal rendelkeznek. Következésképpen a belső nettó erő nulla, mert a vonzó és visszataszító interakciók minden lehetséges irányban azonosak.
A két fázis között a felületen lévő molekulákat ugyanabból a fázisból álló molekulák veszik körül, hanem a másik fázisból szomszédos molekulák is.
Ebben az esetben a nettó erő nem nulla, és arra a fázisra irányul, amelyben nagyobb a kölcsönhatás. Ennek eredményeként a molekulák energiaállapota a felületen nagyobb, mint a fázison belüli energiaállapot.
A felület mentén egységnyi hosszan befelé ható nettó erő a felület közötti feszültség. Ennek az erőnek a hatására a molekulák spontán módon hajlamosak minimalizálni az energiát, minimalizálva az egyes térfogati egységek felületét.
A munka és az energia meghatározása
Ahhoz, hogy egy molekulát belülről felületre vonzzon, szükséges, hogy a molekulára ható erők meghaladják a nettó erőt. Más szavakkal, az interfészi felület növeléséhez munkára van szükség.
Az interfacialis régió növeléséhez szükséges erő. (Https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Surface_growing.png)
Minél nagyobb a nettó intermolekuláris erő, annál nagyobb az elvégzendő munka és annál nagyobb az energiabevitel. Ezért a felületközi feszültséget a munka függvényében vagy az energia függvényében is definiálják, az alábbiakban említettek szerint:
A felületek közötti feszültség az egység felületének a felületen történő létrehozásához szükséges munka. Hasonlóképpen, a felületközi feszültséget úgy definiáljuk, mint a létrehozott terület egységnyi szabad energiáját.
A felületfeszültség egyenlete és egységei
A felületközi feszültség egyenlete a nettó intermolekuláris erő függvényében:
γ = F / 2l
A felületi feszültség csökkenésének oka az, hogy a hőmérséklet emelkedésével a kinetikus energia növekszik a molekulák hőmozgásának növekedése miatt.
A felületek közötti feszültség mérése
A felületközi feszültség kísérleti mérésére különféle módszerek vannak, amelyek közül a legmegfelelőbbet választhatjuk az érintkezésben lévő fázisok jellemző tulajdonságai és a kísérleti körülmények alapján.
Ezek közé a módszerekbe beletartozik a Wilhelmy lemez módszer, a Du Nouy gyűrű módszer, a függő csepp módszer és a forgó csepp módszer.
Wilhelmy lemez módszer
A folyadékfázis felülete által az alumínium vagy üveglapra kifejtett lefelé irányuló erő méréséből áll. A tányérra kifejtett nettó erő megegyezik a súly plusz húzóerővel. A lemez súlyát egy torziós érzékeny mikrotömeg segítségével nyerik, amelyet egy eszköz segítségével a lemezhez rögzítenek.
Du Nouy gyűrűs módszer
Ebben a módszerben megmérjük a fémgyűrű felületének és a folyadék felületének elválasztására szolgáló erőt annak biztosításával, hogy a mérés előtt a gyűrű teljesen belemerüljön a folyadékba. Az elválasztó erő megegyezik a felületi feszültséggel, és nagy pontosságú mérleggel mérik.
Csepegtető módszer
Ez a módszer a kapillárisból lógó csepp deformációjának mérésén alapul. A csepp egyensúlyban marad, miközben lóg, mert a húzóerő megegyezik a csepp súlyával.
A csepp meghosszabbodása arányos a csepp tömegével. A módszer azon alapul, hogy meghatározzuk a csepp nyúlási hosszát súlyának függvényében.
Csepegtető módszer
Forgó csepp módszer
A forgó csepp módszer nagyon hasznos az emulzió és a mikroemulzió előállítása során alkalmazott nagyon alacsony felületi feszültségek mérésére.
Ez abból áll, hogy egy csepp kevésbé sűrű folyadékot helyezünk egy másik folyadékkal töltött kapilláriscsőbe. A csepp egy forgó mozgás következtében nagy sebességgel centrifugális erőnek van kitéve, amely meghosszabbítja a tengelyen levő esést és ellenzi a húzóerőt.
A felületközi feszültséget a csepp deformált geometriai alakjának és a forgási sebességnek a mérete alapján kapjuk.
Irodalom
- Tadros, T. F. Alkalmazott felületaktív anyagok. Berkshire, Egyesült Királyság: Wiley-VCH Verlag Gmbh & Co, 2005.
- van Oss, C J. Interfészi erők vizes közegben. Florida, USA: Taylor & Francis Group, 2006.
- L ábra, Teixeira, A A. Élelmiszerfizika: Fizikai tulajdonságok - mérés és alkalmazások. Németország: Springer, 2007.
- Anton de Salager, R E. Interfészi feszültség. Mérida: FIRP - Universidad de los Andes, 2005.
- Speight, J G. Kőolajtermék-elemzési kézikönyv. New Jersey, USA: Jhon Wiley és fiai, 2015.
- Adamson, AW és Gast, A P. A felületek fizikai kémiája. USA: John Wiley & Sons, Inc., 1997.
- Blunt, M J. Többfázisú áramlás permeábilis közegben: pólus-skála. Cambridge, Egyesült Királyság: Cambridge University Press, 2017.