Hvad er overfladespænding
Overfladespænding defineres som det arbejde, dW, der kræves for at udvide en overflade med dA. Det er således et direkte mål for den nødvendige energi til at danne en ny overflade af enhedsareal, dvs. overfladenergi. Overfladespænding er et kendetegn ved enhver overflade eller grænseflade, men den kan kun måles direkte for væsker. Overfladespænding skyldes retningsafhængige kræfter af molekyler, der befinder sig ved eller tæt på grænsefladen. Overfladespænding udtrykkes generelt i N / m (SI-enhed).
Typisk har polære opløsningsmidler højere overfladespænding end deres ikke-polære modstykker. For eksempel skyldes den høje overfladespænding af vand (72,8 mN / m ved 20 ° C) den stærke intermolekylære hydrogenbinding (elektrostatisk interaktion mellem de delvist positive hydrogener og det delvist negative oxygenatom i et nærliggende vandmolekyle). Jo svagere de intermolekylære kræfter er, jo lavere er overfladespændingen (fx octan har en overfladespænding på 21,6 mN / m). Normalt bruges udtrykket “grænsefladespænding” om spændingen mellem to væsker, mens “overfladespænding” er mere generel og normalt henviser til en gas-væske-grænseflade.
Se vores overfladetensiometre “
Hvornår er overfladespænding relevant
Overfladespænding påvirker egenskaberne i et system. Jo mindre dimensionerne på et system er, jo mere kritisk overfladespænding bliver. Eksempler indbefatter emulsioner, tåger og skum, kimdannelse & fasedannelse. Overfladespænding er også relevant i større skalaer, især i befugtning, vedhæftning og menisk form. Når dimensionerne er i mikro- til millimeterområdet, gives dynamikken ved en balance mellem viskositet, tæthed og overfladespænding. Derudover er overfladespænding en let målt parameter til kvalitetskontrol.
Surfaktanter
Surfactants er molekyler, der beriger ved overflader eller grænseflader, dvs. adsorberer ved interface. Generelt indeholder overfladeaktive midler hydrofile og hydrofobe dele, og i vandige opløsninger kan vandkontakt med de hydrofobe dele derfor undgås ved at anbringe ved overfladen med de hydrofobe dele mod luften. Adsorption af overfladeaktivt middel sænker overfladespændingen. Dette fænomen bruges ofte til at forbedre befugtning. Klik på billedet nedenfor for at læse mere om adsorption og overfladespænding.
Surfaktanter viser en anden vigtig egenskab, nemlig selvmontering i miceller. Micellation ligner fasedannelse, idet mange overfladeaktive stoffer danner en micelle. Således forekommer micellering over et ret snævert koncentrationsområde (kritisk micellekoncentration, CMC), og yderligere tilsætning af overfladeaktivt middel øger micellekoncentrationen snarere end koncentrationen af overfladeaktive monomerer. Derfor falder overfladespænding med stigende total koncentration af overfladeaktivt middel op til CMC og forbliver derefter konstant. Måling af overfladespænding er således en bekvem måde at studere micellation på.
Måling af overfladespænding
Flere metoder er udviklet til måling af overfladespænding. I optiske teknikker analyseres formen af en dråbe eller en menisk normalt ved hjælp af en computer. Formen antager mekanisk ligevægt mellem de kræfter, der virker på væsken, dvs. overfladespænding og tyngdekraften. For at opnå nøjagtige resultater skal den optiske opsætning kalibreres godt, og desuden bestemmes dråbens omrids nøjagtigt.
I bobletrykstensiometri bruger man det faktum, at trykket inde i en boble er højere end uden for dråben på grund af overfladespænding. Overfladespændingen kan beregnes ud fra trykforskellen, hvis man kender radius og dråbeform. Med et par enkle antagelser kan man bygge let at bruge og robust instrumentering, der er velegnet til grov måling af overfladespænding bare ved at nedsænke et rør i løsningen. Stalagometri er en variation af bobletryksteknikken. I stedet for at måle trykforskellen bestemmes det faktum, at strømningshastigheden af en væske gennem en kapillær af tyngdekrafterne modsat af viskøs kraft og modtryk fra dråben ved spidsen af kapillæren.
Den ældste teknik til måling af overfladespænding er at måle den kraft, som en væske udøver på en sonde. Kraftstensiometri-teknikker er ret nøjagtige forudsat at kontaktvinklen ved sonden er kendt. Ved at vælge et godt befugtet materiale og antage, at kontaktvinklen er nul. For vandige opløsninger implicerer dette brugen af et hydrofilt materiale. Det mest almindelige materiale er platin.Eksperimenter udført under kontrolleret og inert atmosfære har vist, at vand faktisk fugter platin fuldstændigt. Imidlertid adsorberer mange forbindelser, der findes i den omgivende luft stærkt på platin, effekten kan observeres inden for få minutter efter flammer. Således skal sonden nedsænkes i den målte væske straks efter rengøring.
Kibrons Dyneprobe er baseret på et hydrofilt oxid. Når flammen renses ved hjælp af en varm flamme, aktiveres oxidlaget til en meget hydrofil tilstand. Det er mere stabilt over for luftbårne forurenende stoffer end platin, men passiverer med tiden. Derfor kan ordentlig flammerensning ikke undgås. Der er to underteknikker til styrketensiometri, nemlig Wilhelmy- og DuNouy-metoderne. I Wilhelmy-metoden holdes sonden stille i grænsefladen, fortrinsvis med det nederste endeniveau med grænsefladen (på langt afstand). På dette tidspunkt er der ikke behov for opdriftskorrektioner. Både såkaldte Wilhelmy-plader og stangformede sonder kan bruges til at foretage målingen.
 |
 |
| DuNouy-metode | Wilhelmy-metode |
I DuNouy-metoden (maksimal trækkraft) registreres overfladespændingen, da sonden langsomt er trukket ud af væsken. Sonden er normalt en DuNouy-ring eller en lodret stang. Bevægelsen af sonden tilvejebringer fordelagtigt en tilbagevendende kontaktvinkel, som har tendens til at være mindre end hvilekontaktvinklen. Ulempen ved teknikken er behovet for at tage højde for den negative opdriftsperiode svarende til det punkt med maksimal kraft, hvor sonden er helt over overfladen. For tynde stangprober er opdriftstiden relativt lille og let at korrigere for, mens opdriftstiden for ringe er betydelig, og dens beregning kompliceres af ringens tværsnitsform.
Se vores overfladetensiometre ”