Co je povrchové napětí
Povrchové napětí je definováno jako dílo, dW, potřebné k roztažení povrchu o dA. Jedná se tedy o přímou míru energie potřebné k vytvoření nového povrchu jednotkové plochy, tj. Povrchové energie. Povrchové napětí je charakteristikou jakéhokoli povrchu nebo rozhraní, je však přímo měřitelné pouze pro kapaliny. Povrchové napětí je výsledkem sil závislých na směru molekul, které se nacházejí na rozhraní nebo v jeho blízkosti. Povrchové napětí se obecně vyjadřuje v N / m (jednotka SI).
Polární rozpouštědla mají obvykle vyšší povrchové napětí než jejich nepolární protějšky. Například vysoké povrchové napětí vody (72,8 mN / m při 20 ° C) je způsobeno silnou intermolekulární vodíkovou vazbou (elektrostatická interakce mezi částečně pozitivními vodíky a částečně záporným atomem kyslíku sousední molekuly vody). Čím slabší jsou mezimolekulární síly, tím nižší je povrchové napětí (např. Oktan má povrchové napětí 21,6 mN / m). Obvykle se termín „mezipovrchové napětí“ používá pro napětí mezi dvěma kapalinami, zatímco „povrchové napětí“ je obecnější a obvykle odkazuje na rozhraní plyn-kapalina.
Zobrazit naše povrchové tenziometry “
Kdy je povrchové napětí relevantní
Povrchové napětí ovlivňuje vlastnosti systému. Čím menší jsou rozměry systému, tím kritičtější je povrchové napětí. Mezi příklady patří emulze, mlhy a pěny, tvorba fáze nukleace &. Povrchové napětí je relevantní i ve větších měřítcích, zejména při smáčení, adhezi a tvaru menisku. Když jsou rozměry v rozmezí od mikro- do milimetru, dynamika je dána rovnováhou viskozity, hustoty a povrchového napětí. Povrchové napětí je navíc snadno měřitelným parametrem pro kontrolu kvality.
Povrchově aktivní látky
Povrchově aktivní látky jsou molekuly, které obohacují povrchy nebo rozhraní, tj. adsorbují se na rozhraní. Obecně povrchově aktivní látky obsahují hydrofilní a hydrofobní skupiny, a proto ve vodných roztocích lze zabránit kontaktu vody s hydrofobními částmi uspořádáním na povrchu s hydrofobními částmi směrem ke vzduchu. Adsorpce povrchově aktivní látky snižuje povrchové napětí. Tento jev se často používá ke zlepšení smáčení. Kliknutím na obrázek níže se dozvíte více o adsorpci a povrchovém napětí.
Povrchově aktivní látky vykazují další důležitou vlastnost, a to samo-sestavení do micel. Micellation se podobá fázové tvorbě v tom, že mnoho surfaktantů tvoří jednu micelu. Micelace tedy probíhá v poměrně úzkém koncentračním rozmezí (kritická koncentrace micel, CMC) a další přidání povrchově aktivní látky zvyšuje spíše koncentraci micely než koncentraci monomerů povrchově aktivní látky. V důsledku toho povrchové napětí klesá se zvyšující se celkovou koncentrací povrchově aktivní látky až do CMC a poté zůstává konstantní. Měření povrchového napětí je tedy vhodný způsob, jak studovat micelaci.
Měření povrchového napětí
Pro měření povrchového napětí bylo vyvinuto několik metod. V optických technikách se tvar kapičky nebo menisku analyzuje obvykle pomocí počítače. Tvar předpokládá mechanickou rovnováhu mezi silami působícími na kapalinu, tj. Povrchovým napětím a gravitačními silami. K získání přesných výsledků je nutné optické nastavení dobře kalibrovat a navíc přesně určit obrys kapičky.
V tenziometrii tlaku bublin se využívá skutečnosti, že tlak uvnitř bubliny je vyšší než mimo povrchové napětí kapičky. Povrchové napětí lze vypočítat z tlakového rozdílu, pokud jsou známy tvary poloměru a kapiček. S několika jednoduchými předpoklady lze vytvořit snadno použitelné a robustní vybavení, které je vhodné pro hrubé měření povrchového napětí pouhým ponořením trubice do roztoku. Stalagometrie je variací techniky bublinového tlaku. Místo měření tlakového rozdílu je skutečnost, že rychlost proudění kapaliny kapilárou, určena gravitačními silami působícími viskózní silou a protitlakem z kapičky na špičce kapiláry.
Nejstarší technikou pro měření povrchového napětí je měření síly vyvíjené kapalinou na sondu. Techniky silové tenziometrie jsou poměrně přesné za předpokladu, že je známý kontaktní úhel na sondě. Výběrem dobře zvlhčeného materiálu a za předpokladu, že kontaktní úhel je nulový. U vodných roztoků to znamená použití hydrofilního materiálu. Nejběžnějším materiálem je platina.Pokusy prováděné v kontrolované a inertní atmosféře ukázaly, že voda platinu skutečně úplně smáčí. Mnoho sloučenin nacházejících se v okolním vzduchu se však silně adsorbuje na platinu, účinek je pozorovatelný během několika minut po plameni. Proto by měla být sonda ihned po vyčištění ponořena do měřené kapaliny.
Kibrons Dyneprobe je založen na hydrofilním oxidu. Při čištění plamenem pomocí horkého plamene se oxidová vrstva aktivuje do velmi hydrofilního stavu. Je stabilnější vůči znečišťujícím látkám ve vzduchu než platina, ale s časem pasivuje. Proto nelze zabránit správným postupům čištění plamene. Existují dvě dílčí techniky silové tenziometrie, jmenovitě metody Wilhelmy a DuNouy. Ve Wilhelmyově metodě je sonda držena stále v rozhraní, přednostně s dolní koncovou úrovní s rozhraním (na velkou vzdálenost). V tomto okamžiku není potřeba korekcí vztlaku. K měření lze použít jak takzvané Wilhelmyho desky, tak i tyčovité sondy.
 |
 |
| metoda DuNouy | metoda Wilhelmyho |
V metodě DuNouy (maximální tažná síla) se povrchové napětí zaznamenává, protože sonda pomalu stažen z kapaliny. Sonda je obvykle prsten DuNouy nebo vertikální tyč. Pohyb sondy výhodně poskytuje ustupující kontaktní úhel, který má tendenci být menší než klidový kontaktní úhel. Nevýhodou této techniky je potřeba zohlednit záporný vztlakový člen odpovídající bodu maximální síly, kde je sonda zcela nad povrchem. U tenkovrstvých sond je vztlak relativně malý a lze jej snadno opravit, zatímco u prstenů je vztlak výrazný a jeho výpočet komplikuje tvar průřezu prstence.
Zobrazit naše povrchové tenziometry “