Co to jest napięcie powierzchniowe
Napięcie powierzchniowe definiuje się jako pracę dW potrzebną do rozszerzenia powierzchni o dA. Jest więc bezpośrednią miarą energii potrzebnej do uformowania nowej powierzchni jednostkowej powierzchni, czyli energii powierzchniowej. Napięcie powierzchniowe jest cechą każdej powierzchni lub granicy faz, jednak można je zmierzyć bezpośrednio tylko w przypadku cieczy. Napięcie powierzchniowe wynika z zależnych od kierunku sił cząsteczek znajdujących się na granicy faz lub w jej pobliżu. Napięcie powierzchniowe jest zwykle wyrażane w N / m (jednostka SI).
Zwykle rozpuszczalniki polarne mają wyższe napięcie powierzchniowe niż ich niepolarne odpowiedniki. Na przykład wysokie napięcie powierzchniowe wody (72,8 mN / mw 20 ° C) jest spowodowane silnym międzycząsteczkowym wiązaniem wodorowym (elektrostatyczne oddziaływanie między częściowo dodatnimi atomami wodoru i częściowo ujemnym atomem tlenu sąsiedniej cząsteczki wody). Im słabsze są siły międzycząsteczkowe, tym niższe jest napięcie powierzchniowe (np. Oktan ma napięcie powierzchniowe 21,6 mN / m). Zwykle termin „napięcie międzyfazowe” jest używany do określenia napięcia między dwiema cieczami, podczas gdy „napięcie powierzchniowe” jest bardziej ogólne i zwykle odnosi się do granicy faz gaz-ciecz.
Zobacz nasze tensjometry powierzchniowe „
Kiedy napięcie powierzchniowe ma znaczenie
Napięcie powierzchniowe wpływa na właściwości systemu. Im mniejsze są wymiary systemu, tym bardziej krytyczne staje się napięcie powierzchniowe. Przykłady obejmują emulsje, mgły i piany, tworzenie się fazy zarodkowania &. Napięcie powierzchniowe jest również istotne w większych skalach, szczególnie w przypadku zwilżania, adhezji i kształtu łąkotki. Gdy wymiary mieszczą się w zakresie od mikro do milimetra, dynamikę określa równowaga lepkości, gęstości i napięcia powierzchniowego. Ponadto napięcie powierzchniowe jest łatwym do zmierzenia parametrem kontroli jakości.
Środki powierzchniowo czynne
Środki powierzchniowo czynne to cząsteczki, które wzbogacają się na powierzchniach lub międzyfazach, tj. adsorbują się na granicy faz. Ogólnie środki powierzchniowo czynne zawierają ugrupowania hydrofilowe i hydrofobowe, a zatem w roztworach wodnych można uniknąć kontaktu wody z częściami hydrofobowymi, umieszczając na powierzchni części hydrofobowe w kierunku powietrza. Adsorpcja surfaktantów obniża napięcie powierzchniowe. Zjawisko to jest często wykorzystywane do poprawy zwilżania. Kliknij poniższy obrazek, aby dowiedzieć się więcej o adsorpcji i napięciu powierzchniowym.
Surfaktanty wykazują inną ważną właściwość, a mianowicie samoorganizację w micele. Micelacja przypomina tworzenie się faz, ponieważ wiele środków powierzchniowo czynnych tworzy jedną micelę. Zatem micelacja zachodzi w dość wąskim zakresie stężeń (krytyczne stężenie miceli, CMC), a dalsze dodanie środka powierzchniowo czynnego zwiększa raczej stężenie miceli niż stężenie monomerów środka powierzchniowo czynnego. W konsekwencji napięcie powierzchniowe spada wraz ze wzrostem całkowitego stężenia środka powierzchniowo czynnego do CMC, a następnie pozostaje stałe. Pomiar napięcia powierzchniowego jest więc wygodnym sposobem badania micelacji.
Pomiar napięcia powierzchniowego
Opracowano kilka metod pomiaru napięcia powierzchniowego. W technikach optycznych kształt kropli lub łąkotki jest analizowany zwykle za pomocą komputera. Kształt zakłada równowagę mechaniczną pomiędzy siłami działającymi na ciecz tj. Napięciem powierzchniowym i siłami grawitacji. Aby uzyskać dokładne wyniki, należy dobrze skalibrować układ optyczny, a ponadto dokładnie określić zarys kropli.
W tensjometrii ciśnienia pęcherzyków wykorzystuje się fakt, że ciśnienie wewnątrz pęcherzyka jest wyższe niż na zewnątrz kropelki z powodu napięcia powierzchniowego. Napięcie powierzchniowe można obliczyć z różnicy ciśnień, jeśli znany jest promień i kształt kropli. Mając kilka prostych założeń, można zbudować łatwe w użyciu i solidne oprzyrządowanie, które dobrze nadaje się do zgrubnego pomiaru napięcia powierzchniowego, wystarczy zanurzyć rurkę w roztworze. Stalagometria jest odmianą techniki ciśnienia pęcherzykowego. Zamiast mierzyć różnicę ciśnień, fakt, że natężenie przepływu cieczy przez kapilarę jest określane przez siły grawitacyjne, którym przeciwstawia się siła lepkości i przeciwciśnienie z kropli na końcu kapilary.
Najstarszą techniką pomiaru napięcia powierzchniowego jest pomiar siły wywieranej przez ciecz na sondę. Techniki tensjometrii sił są dość dokładne pod warunkiem, że znany jest kąt zwilżania sondy. Wybierając dobrze zwilżony materiał i zakładając, że kąt zwilżania wynosi zero. W przypadku roztworów wodnych oznacza to użycie materiału hydrofilowego. Najpopularniejszym materiałem jest platyna.Eksperymenty przeprowadzone w kontrolowanej i obojętnej atmosferze wykazały, że woda rzeczywiście całkowicie zwilża platynę. Jednak wiele związków znajdujących się w otaczającym powietrzu silnie adsorbuje na platynie, a efekt można zaobserwować w ciągu kilku minut po zapaleniu. Dlatego sondę należy zanurzyć w mierzonej cieczy niezwłocznie po czyszczeniu.
Dyneprobe firmy Kibron jest oparta na hydrofilowym tlenku. Podczas czyszczenia płomieniem gorącym płomieniem warstwa tlenku jest aktywowana do stanu bardzo hydrofilowego. Jest bardziej stabilny w stosunku do zanieczyszczeń w powietrzu niż platyna, ale z czasem ulega pasywacji. Dlatego nie można uniknąć właściwych procedur czyszczenia płomienia. Istnieją dwie pod-techniki tensjometrii sił, a mianowicie metody Wilhelmyego i DuNouya. W metodzie Wilhelmyego sonda jest trzymana nieruchomo w interfejsie, preferencyjnie z dolnym końcowym poziomem z interfejsem (w dużej odległości). W tym momencie nie ma potrzeby dokonywania korekt pływalności. Do pomiaru można użyć zarówno tak zwanych płytek Wilhelmyego, jak i sond w kształcie prętów.
 |
 |
| Metoda DuNouy | Metoda Wilhelmyego |
W metodzie DuNouy (maksymalna siła ciągnąca) napięcie powierzchniowe jest rejestrowane, gdy sonda jest powoli wyciągnięty z cieczy. Sonda jest zwykle pierścieniem DuNouy lub pionowym prętem. Ruch sondy korzystnie zapewnia zmniejszający się kąt zwilżania, który wydaje się być mniejszy niż spoczynkowy kąt zwilżania. Wadą tej techniki jest konieczność uwzględnienia ujemnego składnika wyporu odpowiadającego punktowi maksymalnej siły, w którym sonda znajduje się całkowicie nad powierzchnią. W przypadku sond z cienkimi prętami okres wyporu jest stosunkowo mały i łatwy do skorygowania, podczas gdy w przypadku pierścieni składnik wyporu jest znaczący, a jego obliczenie komplikuje kształt przekroju pierścienia.
Zobacz nasze tensjometry powierzchniowe ”