Hva er overflatespenning
Overflatespenning er definert som arbeidet, dW, som kreves for å utvide en overflate med dA. Det er altså et direkte mål på energien som trengs for å danne en ny overflate av enhetsareal, dvs. overflatenergi. Overflatespenning er et kjennetegn ved hvilken som helst overflate eller grensesnitt, men den er bare direkte målbar for væsker. Overflatespenning skyldes retningsavhengige krefter av molekyler som befinner seg ved eller nær grensesnittet. Overflatespenning uttrykkes vanligvis i N / m (SI-enhet).
Vanligvis har polære løsemidler høyere overflatespenning enn deres ikke-polære kolleger. For eksempel er den høye overflatespenningen i vann (72,8 mN / m ved 20 ° C) på grunn av den sterke intermolekylære hydrogenbinding (elektrostatisk interaksjon mellom de delvis positive hydrogenene og det delvis negative oksygenatomet i et nærliggende vannmolekyl). Jo svakere de intermolekylære kreftene er, jo lavere er overflatespenningen (f.eks. Har oktan en overflatespenning på 21,6 mN / m). Vanligvis brukes begrepet «grensesnittspenning» for spenningen mellom to væsker, mens «overflatespenning» er mer generelt og refererer vanligvis til et gass-væskegrensesnitt.
Se overflatesensiometrene våre «
Når er overflatespenning relevant
Overflatespenning påvirker egenskaper i et system. Jo mindre dimensjonene til et system er, jo mer kritisk overflatespenning blir. Eksempler inkluderer emulsjoner, tåke og skum, kjernedannelse & fasedannelse. Overflatespenning er også relevant i større skalaer, spesielt når det gjelder fukting, vedheft og menisk form. Når dimensjonene er i mikro- til millimeterområdet, blir dynamikken gitt av en balanse mellom viskositet, tetthet og overflatespenning. I tillegg er overflatespenning en parameter som er lett å måle for kvalitetskontroll.
Surfaktanter
Surfactants er molekyler som beriker seg på overflater eller grensesnitt, dvs. adsorberer ved grensesnittet. Generelt inneholder overflateaktive midler hydrofile og hydrofobe deler, og i vannholdige oppløsninger kan vannkontakt med de hydrofobe delene derfor unngås ved å anordne på overflaten med de hydrofobe delene mot luften. Adsorpsjon av overflateaktivt middel senker overflatespenningen. Dette fenomenet brukes ofte for å forbedre fuktingen. Klikk på bildet nedenfor for å lese mer om adsorpsjon og overflatespenning.
Surfaktanter viser en annen viktig egenskap, nemlig selvmontering i miceller. Micellering ligner fasedannelse ved at mange overflateaktive stoffer danner en micelle. Dermed forekommer mikellering over et ganske smalt konsentrasjonsområde (kritisk micellkonsentrasjon, CMC), og ytterligere tilsetning av overflateaktivt middel øker micellkonsentrasjonen i stedet for konsentrasjonen av overflateaktive monomerer. Følgelig avtar overflatespenningen med økende total konsentrasjon av overflateaktivt middel opp til CMC, og forblir deretter konstant. Måling av overflatespenning er således en praktisk måte å studere micellering på.
Måling av overflatespenning
Flere metoder er utviklet for å måle overflatespenning. I optiske teknikker analyseres formen til en dråpe eller menisk vanligvis ved hjelp av en datamaskin. Formen forutsetter mekanisk likevekt mellom kreftene som virker på væsken, dvs. overflatespenning og gravitasjonskrefter. For å oppnå nøyaktige resultater, må det optiske oppsettet kalibreres godt, og dessuten bestemmes dråpens disposisjon nøyaktig.
I bobletrykkstensiometri bruker man det faktum at trykket inne i en boble er høyere enn utenfor dråpen på grunn av overflatespenning. Overflatespenningen kan beregnes ut fra trykkforskjellen hvis radius og dråpeform er kjent. Med noen få enkle forutsetninger kan man bygge brukervennlig og robust instrumentering som er godt egnet for grov måling av overflatespenning bare ved å dyppe et rør i løsningen. Stalagometri er en variant av bobletrykksteknikken. I stedet for å måle trykkforskjellen, bestemmes det faktum at strømningshastigheten til en væske gjennom en kapillær av gravitasjonskreftene motsatt av viskøs kraft og mottrykk fra dråpen ved spissen av kapillæren.
Den eldste teknikken for å måle overflatespenning er å måle kraften som en væske utøver på en sonde. Kraftstensiometri-teknikker er ganske nøyaktige forutsatt at kontaktvinkelen ved sonden er kjent. Ved å velge et godt fuktet materiale, og anta at kontaktvinkelen er null. For vandige løsninger innebærer dette bruken av et hydrofilt materiale. Det vanligste materialet er platina.Eksperimenter utført under kontrollert og inert atmosfære har vist at vann faktisk fukter platina fullstendig. Imidlertid adsorberer mange forbindelser som finnes i omgivelsene sterkt på platina, effekten kan observeres i løpet av få minutter etter flamming. Dermed skal sonden senkes ned i den målte væsken umiddelbart etter rengjøring.
Kibron’s Dyneprobe er basert på et hydrofilt oksid. Når flammen rengjøres med en varm flamme, aktiveres oksydlaget i en veldig hydrofil tilstand. Den er mer stabil mot luftforurensninger enn Platinum, men passiverer med tiden. Derfor kan ikke riktige flammerengjøringsprosedyrer unngås. Det er to underteknikker for styrketensiometri, nemlig metodene Wilhelmy og DuNouy. I Wilhelmy-metoden holdes sonden stille i grensesnittet, fortrinnsvis med det nedre endenivået med grensesnittet (på langt avstand). På dette punktet er det ikke behov for oppdriftskorrigeringer. Både såkalte Wilhelmy-plater og stangformede sonder kan brukes til å foreta målingen.
 |
 |
| DuNouy Method | Wilhelmy Method |
I DuNouy-metoden (maksimal trekkraft) registreres overflatespenningen når sonden sakte trukket ut av væsken. Sonden er vanligvis en DuNouy-ring eller en vertikal stang. Bevegelsen til sonden gir fordelaktig en tilbakevendende kontaktvinkel, som har en tendens til å være mindre enn hvilekontaktvinkelen. Ulempen med teknikken er behovet for å redegjøre for den negative oppdriftstiden som tilsvarer punktet med maksimal kraft der sonden er helt over overflaten. For tynne stangprober er oppdriftstiden relativt liten og lett å korrigere for, mens for ringene er oppdriftstiden betydelig og beregningen komplisert av ringens tverrsnittsform.
Se overflatetensometrene våre »