Vad är ytspänning
Ytspänning definieras som det arbete, dW, som krävs för att expandera en yta med dA. Det är således ett direkt mått på den energi som behövs för att bilda en ny yta av enhetsarean, dvs. ytenergi. Ytspänning är en egenskap hos vilken yta eller gränssnitt som helst, men den är bara mätbar direkt för vätskor. Ytspänning beror på riktningsberoende krafter hos molekyler som finns vid eller nära gränssnittet. Ytspänning uttrycks vanligtvis i N / m (SI-enhet).
Normalt har polära lösningsmedel högre ytspänning än deras icke-polära motsvarigheter. Till exempel beror den höga ytspänningen i vatten (72,8 mN / m vid 20 ° C) på den starka intermolekylära vätebindningen (elektrostatisk interaktion mellan de delvis positiva vätemedlen och den delvis negativa syreatomen i en angränsande vattenmolekyl). Ju svagare de intermolekylära krafterna är, desto lägre är ytspänningen (t.ex. har oktan en ytspänning på 21,6 mN / m). Vanligtvis används termen ”gränsspänningsspänning” för spänningen mellan två vätskor, medan ”ytspänning” är mer allmän och vanligtvis hänvisar till ett gas-vätskegränssnitt.
Se våra yttensiometrar ”
När är ytspänning relevant
Ytspänning påverkar egenskaperna i ett system. Ju mindre systemets dimensioner är, desto mer kritisk ytspänning blir. Exempel inkluderar emulsioner, dimma och skum, kärnbildning & fasbildning. Ytspänningen är också relevant vid större skalor, särskilt vid vätning, vidhäftning och meniskform. När dimensionerna ligger inom mikro- till millimeterområdet, ges dynamiken av en balans mellan viskositet, densitet och ytspänning. Dessutom är ytspänningen en lätt mätt parameter för kvalitetskontroll.
Tensider
Tensider är molekyler som berikar vid ytor eller gränssnitt, dvs. adsorberar vid gränssnittet. I allmänhet innehåller ytaktiva medel hydrofila och hydrofoba delar, och följaktligen kan vattenkontakt med de hydrofoba delarna i vattenlösningar undvikas genom att anordnas vid ytan med de hydrofoba delarna mot luften. Ytabsorptionsadsorptionen sänker ytspänningen. Detta fenomen används ofta för att förbättra vätningen. Klicka på bilden nedan för att läsa mer om adsorption och ytspänning.
Surfaktanter visar en annan viktig egenskap, nämligen självmontering i miceller. Micellering liknar fasbildning, genom att många ytaktiva ämnen bildar en micell. Således inträffar micellering över ett ganska smalt koncentrationsintervall (kritisk micellkoncentration, CMC), och ytterligare tillsats av ytaktivt medel ökar micellkoncentrationen snarare än koncentrationen av ytaktiva monomerer. Följaktligen minskar ytspänningen med ökande total tensidkoncentration upp till CMC och förblir sedan konstant. Ytspänningsmätning är således ett bekvämt sätt att studera micellering.
Mätning av ytspänning
Flera metoder har utvecklats för att mäta ytspänning. I optiska tekniker analyseras formen på en droppe eller menisk vanligtvis med hjälp av en dator. Formen antar mekanisk jämvikt mellan krafterna som verkar på vätskan, dvs. ytspänning och gravitationskrafter. För att få exakta resultat måste den optiska inställningen kalibreras väl, och dessutom bestäms droppens konturer exakt.
I bubblatrycktensiometri använder man det faktum att trycket inuti en bubbla är högre än utanför droppen på grund av ytspänning. Ytspänningen kan beräknas från tryckskillnaden om radie- och droppformerna är kända. Med några enkla antaganden kan man bygga lättanvänd och robust instrumentering som är väl lämpad för grov mätning av ytspänningen bara genom att sänka ett rör i lösningen. Stalagometri är en variation av bubblatryckstekniken. I stället för att mäta tryckskillnaden bestäms det faktum att en vätskeflödeshastighet genom en kapillär bestäms av gravitationskrafterna motsatta av viskös kraft och mottryck från droppen vid kapillärspetsen.
Den äldsta tekniken för att mäta ytspänning är att mäta kraften som utövas av en vätska på en sond. Krafttensiometritekniker är ganska exakt förutsatt att kontaktvinkeln vid sonden är känd. Genom att välja ett välvättat material och anta att kontaktvinkeln är noll. För vattenlösningar innebär detta användningen av ett hydrofilt material. Det vanligaste materialet är platina.Experiment utförda under kontrollerad och inert atmosfär har visat att vatten verkligen väter platina helt. Men många föreningar som finns i den omgivande luften adsorberar starkt på platina, effekten är observerbar inom några minuter efter flammande. Således bör sonden nedsänkas i den uppmätta vätskan omedelbart efter rengöring.
Kibrons Dyneprobe är baserad på en hydrofil oxid. När flamrengöras med en het flamma aktiveras oxidskiktet till ett mycket hydrofilt tillstånd. Den är mer stabil mot luftburna föroreningar än platina, men passiverar med tiden. Därför kan korrekta flamrengöringsförfaranden inte undvikas. Det finns två deltekniker för styrketensiometri, nämligen metoderna Wilhelmy och DuNouy. I Wilhelmy-metoden hålls sonden stilla i gränssnittet, företrädesvis med den nedre ändnivån med gränssnittet (på långt avstånd). Vid denna tidpunkt finns det inget behov av flytkorrigeringar. Både så kallade Wilhelmy-plattor och stavformade sonder kan användas för att göra mätningen.
 |
 |
| DuNouy Method | Wilhelmy Method |
I DuNouy-metoden (maximal dragkraft) registreras ytspänningen när sonden sakta dras tillbaka från vätskan. Sonden är vanligtvis en DuNouy-ring eller en vertikal stav. Sondens rörelse åstadkommer med fördel en avtagande kontaktvinkel som tenderar att vara mindre än vilakontaktvinkeln. Nackdelen med tekniken är behovet av att redogöra för den negativa flytkraften som motsvarar punkten för maximal kraft där sonden är helt ovanför ytan. För tunna stavprober är flytkraften relativt liten och lätt att korrigera för, medan för ringkraften är flytkraftens betydande och dess beräkning kompliceras av ringens tvärsnittsform.
Se våra yttensiometrar ”