Felületi feszültség

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából
Szappanbuborék
Molnárpoloskák a víz felületi hártyáján
A víz felületi feszültsége tartja fenn az alumínium 1 pengőst
A szabadon eső vízcsepp is a felületi feszültség miatt gömb alakú

A felületi feszültség a folyadékok alapvető tulajdonsága, ami miatt a folyadékok a lehető legkisebb fajlagos felületű alakzatot (gömb) igyekeznek felvenni, ha külső erőtér nem hat rájuk. Oka a folyadék részecskéi (atomok, egyszerű és összetett ionok, molekulák vagy ezekből felépülő kisebb aggregátumok) között fellépő kohéziós erő. Ezért gömb alakú a kis méretű lebegő folyadékcsepp, vagy a szappanbuborék stb.

A felületi feszültség következménye, hogy bizonyos tárgyak és állatkák a vízben nem süllyednek el, a víz felületén maradnak, bár a sűrűségük nagyobb, mint a folyadéké.

A felületi feszültség magyarázata[szerkesztés]

Folyadék felületi rétege vázlatosan

A felületi feszültség léte a molekuláris erőkkel függ össze.

A folyadékok határfelületi rétegében lévő alkotórészek más energetikai állapotban vannak, mint a folyadék belsejében lévők. Ennek oka az, hogy a folyadék felületén a kémiai és fizikai tulajdonságokat meghatározó mikrorészecskék környezetében a folyadék belseje felé azonos felépítésű folyadékmolekulák, míg a másik oldalon egy másik közeg, - például levegő - más tulajdonságú molekulái vannak. Így az aszimmetrikus erőhatások miatt nagyobb energiájú állapotban vannak, mint a folyadék belsejében elhelyezkedő, egymáshoz képest energetikailag kiegyensúlyozott társaik.

Tiszta anyagok esetén a felületi réteg felett az anyag gőz állapotú részecskéi találhatók, amelyben a részecskék átlagos távolsága lényegesen nagyobb – a vonzóerők lényegesen kisebbek –, mint a folyadék belsejében. A szomszédos molekuláktól származó kohéziós erők a folyadék belsejében kompenzálják egymást, a felületen viszont ezeknek az eredője a folyadék belseje felé mutat, amint azt a mellékelt ábra szemlélteti. Ez azt jelenti, hogy a kohéziós erő a felületi molekulákat a folyadék belseje felé igyekszik elmozdítani.

A kohéziós erők a felületre ún. kohéziós nyomást fejtenek ki, amelyet közvetlenül megmérni nem lehet, de közelítő számítások alapján ez a nyomás például víz esetében az atmoszferikus nyomás több ezerszeresét is eléri. Ez megmagyarázza, hogy a folyadékok összenyomhatósága kicsi, hiszen külső hatás nélkül is összenyomott állapotban vannak.

Ennek az aszimmetrikus erőhatásnak a mértéke a felületi feszültség (jele γ, vagy σ), amely az anyagokra jellemző intenzív fizikai mennyiség. Még pontosabban nem csak az adott folyadékra, hanem a fent leírt aszimmetrikus erőhatásokból eredően a két érintkező réteg határfelületére jellemző mennyiség. Más a felületi feszültsége például a víznek levegővel érintkezve, illetve ha étergőz van a felszín felett. Mivel legtöbbször a levegő-folyadék érintkezése fordul elő, ezért a felületi feszültségre jellemző adatokat - ha más megjelölés nincs - a levegő-folyadék határfelületre szokták megadni.

Az elnevezése csak részben helytálló, ugyanis nem feszültség jellegű mennyiség, hanem mint a definíciós összefüggésből kitűnik: a felületben, annak egységnyi hosszúságú vonalában ható erővel (N/m), vagy egységnyi nagyságú felület létrehozásához szükséges munkával (J/m²), az ún. felületi munkával egyenlő.

A felületi munka[szerkesztés]

A felületi munka értelmezése

Ahhoz, hogy a folyadék belsejéből molekulákat juttassunk a felszínre, ezáltal a felszín dA-val növekedjék, a felszínt kifeszítő erők ellenében dw munkát kell végeznünk. (Emiatt nagyobb a felszínen lévő részecskék helyzeti energiája, mint a folyadék belsejében lévőké.)
A felület valamely ℓ hosszúságú vonala mentén, arra merőlegesen a szomszédos részecskék között F erő hat, amely ellenében ℓdx =dA új felület létrehozásához Fdx = dw munka befektetése szükséges:

, mértékegységei:

Azt is mondhatjuk: a felületi feszültség a (saját gőzével érintkező) folyadék egységnyi felületének energiatöbblete a folyadék belsejéhez képest.


Néhány anyag felületi feszültsége[szerkesztés]

Néhány anyag felületi feszültsége levegőn[1]
anyag Hőmérséklet, °C Felületi feszültség, mN·m−1 = mJ·m−2 anyag Hőmérséklet, °C Felületi feszültség, mN·m−1 = mJ·m−2
Aceton 20 23,7 Metil-alkohol 20 22,50
Benzol 30 27,56 Oktán 20 21,62
Benzol 20 28,88 Pentán 20 16,00
Butil-acetát 20 25,09 Szén-tetraklorid 25 26,43
Dietil-éter 25 20,14 Toluol 20 28,52
Etilén-glikol 25 47,3 Víz 20 72,86
Etil-alkohol 20 22,39 Víz 25 71,99
Etil-alkohol 30 21,55 NaCl 801 115
Glicerin 30 64,7 Higany 20 486,5
Heptán 20 20,14 Higany 25 485,5
n-Hexán 20 18,4 Higany 30 484,5
Kloroform 25 26,67 Ón 400 518


Nedvesítés[szerkesztés]

Részleges nedvesítés, a peremszög < 90°, és részleges nem nedvesítés: a peremszög > 90°

A folyadék molekuláira a felületet körülvevő más anyag molekulái is vonzóerőt fejthetnek ki – ez a jelenség az adhézió –, az ebből származó erő az adhéziós erő. Ha ezeknek az erőknek a folyadék molekuláira kifejtett hatása elhanyagolható (pl. levegő, g) a kohéziós erőkhöz képest, akkor a felületen lévő folyadékrészecskék a kohéziós erők hatására a folyadék belseje felé igyekeznek elmozdulni, vagyis a felület valóban csökkenni igyekszik. Ha ezeknek az erőknek a folyadék (ℓ) molekuláira kifejtett hatása nem hanyagolható el – például egy szilárd (s) felületen helyezkedik el –, akkor a folyadék jobban, vagy kevésbé terül szét azon, nedvesíti, vagy kevésbé nedvesíti azt, attól függően, hogy a vonzó (vagy taszító) erők mekkorák.

Thomas Young (1773-1829) angol tudós

A nedvesítés mértékét a nedvesítési peremszöggel (Θ) jellemezzük. Ha a peremszög kisebb mint 90°, akkor részleges nedvesítésről, ha nagyobb 90°-nál, akkor részleges nem nedvesítésről beszélünk.

A közös határon fellépő erőket a határfelületi feszültséggel jellemezzük (γsg, γℓs, γℓg). Értelmezése hasonló a felületi feszültségéhez, csak itt a kohéziós erőkön kívül az adhéziós erők is közreműködnek. A folyadék addig terül a felületen, amíg az erőegyensúly beáll. Az erőegyensúly feltétele (Young-egyenlet):

A nedvesítés mértékét ezeknek a határfelületi feszültségeknek a módosításával lehet befolyásolni. A mosószerek a folyadék és a szilárd fázis közötti határfelületi feszültség megváltoztatásán keresztül fejtik ki a hatásukat. Más esetben a szilárd test felületkezelésével változtatható meg a nedvesítés mértéke.

Kapilláris emelkedés és kapilláris süllyedés[szerkesztés]

Kapilláris emelkedés és kapilláris süllyedés
Kapilláris emelkedés jelensége és a folyadék felszíne (meniszkusza) a csőben

Úgyszintén a felületi feszültséggel függ össze az ún. kapilláris emelkedés és kapilláris süllyedés jelensége.

A vékony csövekben (kapillárisokban) a folyadékok nem követik a közlekedőedényekre vonatkozó törvényt: a nedvesítő folyadék szintje magasabb, nem nedvesítő folyadéké pedig alacsonyabb, mint nagy felületű edényben. Az előbbi jelenséget kapilláris emelkedésnek, utóbbit kapilláris süllyedésnek nevezzük. Üveg kapillárisban kapilláris emelkedést mutat például a víz, és kapilláris süllyedést a higany. Kapilláris emelkedés akkor következik be, ha a folyadék nedvesíti a kapilláris falát, vagyis a folyadék és a szilárd anyag részecskéi között nagyobb a vonzóerő, mint az azonos folyadék molekulák között. A nedvesítési peremszög Θ < 90°. Ha ezek az erők kisebbek, vagyis a folyadék és a szilárd részecskék taszítják egymást, akkor kapilláris süllyedés lép fel. A nedvesítési peremszög Θ > 90°.

A mellékelt ábra segítségével kiszámíthatjuk az emelkedés, illetve a süllyedés nagyságát. Ha például a nedvesítő folyadék a csőben h magasságba emelkedik fel, akkor a folyadékoszlop súlya (Fg) miatt egy lefelé ható erő működik, amelynek nagysága a folyadékoszlop súlyával egyenlő:

Ezt az erőt ellensúlyozza a folyadék és az üveg részecskéi között működő adhéziós erő felfelé mutató komponense (Fγ):

A két erő egyenlősége esetén a folyadék emelkedésének vagy süllyedésének mértéke, a h kiszámítható:


A felületi feszültség hőmérsékletfüggése[szerkesztés]

Eötvös Loránd (1848-1919)

A tiszta folyadékok felületi feszültsége csökken a hőmérséklet növekedésével. A kritikus hőmérsékleten megszűnik a folyadék és annak gőze közötti különbség, a fázishatár is eltűnik, a felületi feszültség nullára csökken. A felületi feszültség hőmérséklettel való változásából következtetni lehet a folyadék állapotbeli molekulák állapotára. A T hőmérsékleten mért felületi feszültség, a folyadék moláris térfogata és a hőmérséklet között az alábbi összefüggés áll fenn:

ahol

Vm a folyadék moláris térfogata, m³/mol,
γ a folyadék felületi feszültsége, N/m
T a hőmérséklet, K
Tc az anyag kritikus hőmérséklete, K
k az Eötvös-féle állandó, J/(K mol2/3)

Ez a kifejezés az Eötvös-szabály. Az ún. normális folyadékok esetén az Eötvös-féle állandó értéke 2,1 x 10 -7 J/(K mol2/3).

A legtöbb folyadék esetében a felületi feszültség már 6 °C-kal a kritikus hőmérséklet alatt gyakorlatilag nulla, ezért az Eötvös-szabály alábbi alakja pontosabb eredményt ad:

A V2/3 mennyiség a folyadék 1 móljának a felületével arányos (mólfelület), ezért a γV2/3 szorzatot mólfelületi energiának nevezzük. Ez arányos annak a munkának a nagyságával, amely ahhoz szükséges, hogy 1 mólnyi folyadéknak megfelelő felületet létrehozzunk, vagyis 1 mól folyadékot teljes mértékben szétterítsünk.

Néhány anyag Eötvös-féle állandója[szerkesztés]

Néhány anyag Eötvös-féle állandója [2]
Anyag Eötvös-féle állandó *10−7, J/(K mol2/3) Anyag Eötvös-féle állandó, *10−7 J/(K mol2/3)
Nitrogén 2,00 Metil-alkohol 0,7-1,10
Oxigén 1,92 Etil-alkohol 0,9-1,3
Klór 2,10 Fenol 1,3-1,9
szén-tetraklorid 2,11 Hangyasav 0,6-1,1
Benzol 2,10 Ecetsav 0,9-1,3
Dietil-éter 2,17 Trisztearin 5,3-6,8
Víz 0,9-1,2


Folyadékok szerkezete[szerkesztés]

Az adatokból az látható, hogy több, nagyon különböző kémiai tulajdonságú folyadék Eötvös-állandója jó közelítéssel valóban 2,1. Vannak azonban olyan folyadékok is, amelyek nem követik ezt a szabályt, hanem k értéke jóval kisebb 2,1-nél, és értéke változik a hőmérséklettel, ezért van k-ra egy intervallum megadva a táblázatban. Ilyen anyag a víz, amely nagyon sok szempontból kivétel, de az alkoholok és a savak is. Ezen anyagok molekulaszerkezetében van közös rész, nevezetesen az -OH csoport.[2]

Az Eötvös-féle állandó kisebb értékét úgy értelmezik, hogy ezeknek az anyagoknak folyékony halmazállapotban más a moláris tömegük, mint gőz halmazállapotban, mégpedig folyékony halmazállapotban nagyobb, mint gőz állapotban. A víz, a savak és az alkoholok folyékony halmazállapotban összekapcsolódott részecskékből, rövid távon rendezett halmazokból – asszociált molekulákból – állnak. Ez a kapcsolat azonban nem annyira állandó, mint egy vegyület molekulája esetében, hanem változó nagyságú, rendezett körzetek kialakulásáról van szó, amelyek folyamatosan keletkeznek és felbomlanak.

Egyes folyadékok – amelyek részecskéi viszonylag hosszúak – Eötvös-féle állandója nagyobb, mint 2,1. Ezek a hosszú molekulák a felületen egymással párhuzamosan és hossztengelyeikkel a felületre merőlegesen helyezkednek el. Ebben az elrendezésben a részecskék kevesebb helyet foglalnak el, mintha rendezetlenül helyezkednének el, vagy pedig gömb alakúak volnának. Ezek a folyadékok tehát a felületi feszültség szempontjából úgy viselkednek, mintha a moláris térfogatuk kisebb lenne a moláris tömegüknek megfelelő értéknél.

A felületaktív anyagok. Miért mos a mosószer?[szerkesztés]

Tenzidmolekula elhelyezkedése a folyadék felszínén

A felületaktív anyagok – tenzidek vagy detergensek – az oldószer, például a víz felületi feszültségét csökkentik azáltal, hogy molekuláik a folyadék felületén irányítottan helyezkednek el. Az ilyen tulajdonságú anyagok – ún. amfipatikus jellegű vegyületek – egy hosszabb szénláncú liofób (vízre vonatkoztatva hidrofób) csoportot és liofil (vízre vonatkoztatva hidrofil) atomot, vagy rövid atomcsoportot tartalmaznak. A hagyományos szappan is ilyen szerkezetű: hosszú szénláncú, természetes eredetű zsírsavak nátriumsói.

A mosószerek legfontosabb tulajdonsága a mosóhatásuk szempontjából, hogy csökkentik a felületi feszültséget. Ugyanis a víz a nagy felületi feszültsége miatt a textilszövet finom pórusaiba nem képes behatolni, ezért onnét például a zsíros szennyeződést sem tudná eltávolítani. Szappan – és más, ma használatos nagy hatású mosószerek – segítségével azonban képes erre. A detergens részecskék a zsír és a víz közötti közös határrétegbe úgy épülnek be, hogy a hidrofób részük benyúlik a zsírcsepp belsejébe, a hidrofil pedig a vízbe. Mozgatással a zsírcseppek elszakadnak a textil felületétől és emulziót képeznek.

Mérési módszerek[szerkesztés]

A felületi feszültség méréséhez használatos eszközök: a.) Mérőkapilláris a kapilláris-emelkedés méréséhez; b.) Platinagyűrű a kiszakítási erő mérésére; c.) Sztalagmométer a cseppszám mérésére; d.) Mérőkapilláris a buborékbeli nyomás méréséhez

Folyadék halmazállapotú rendszerek felületi (határfelületi) feszültségének mérésére többféle módszer is kínálkozik,[3] mint pl.

a kapilláris emelkedés módszere,
a buboréknyomásos módszer,
a sztalagmométeres módszer,
a kiszakításos módszer és
a nyugvó csepp módszer, főként nagyhőmérsékleten, például fémolvadék esetén.

Kapilláris emelkedés és kapilláris süllyedés[szerkesztés]

A kapilláris emelkedés (süllyedés) módszerével a felületi feszültség meghatározását a folyadékba merülő r sugarú kapillárisban h magasra emelkedő (vagy mélyre süllyedő) folyadék hidrosztatikai nyomásának mérésére vezetjük vissza. A ρ sűrűségű folyadékoszlop súlya egyensúlyt tart a meniszkusznál fellépő adhéziós erővel. A fentebb már levezetett összefüggésből a felületi feszültségre az alábbi egyenlet adódik:

Az egyenletben:

γ a felületi feszültség, N·m−1
r a kapilláris sugara, m
ρ a folyadék sűrűsége, kg·m−3
h a kapilláris emelkedés (süllyedés), m
Θ a kapilláris és a folyadék közötti nedvesítési peremszög.

A buboréknyomásos módszer[szerkesztés]

1- Vizes edény; 2- Termosztálható mintatartó edény; 3- Manométer; 4- Mérőkapilláris

A buboréknyomásos módszerrel azt a külső nyomást mérjük, amely szükséges ahhoz, hogy a mérendő felületi feszültségű folyadékba h mélységre bemártott r sugarú kapilláris végén buborék képződjék. Ez a nyomás a pγ kapilláris nyomás. Ha a buborék r sugarát dr-rel megnöveljük, a buborék térfogata 4π r²dr-rel, felülete pedig 8πrdr -rel nő meg. A közben végzett térfogati munkának egyenlőnek kell lennie a felületi feszültség munkájával:

amiből a felületi feszültség:

Lassú buborékolás esetén a kapilláris végén képződő buborékban kialakuló nyomás (pγ) és a kapilláris bemerüléséből származó hidrosztatikai nyomás (ph) összege azonos az edényben levő nyomás és a külső légnyomás közötti különbséggel (pm), amit a manométerrel mérünk, vagyis:

A vizsgált folyadék felületi feszültsége a

kifejezéssel számítható.

Az összefüggésekben:

pγ a kapilláris nyomás, Pa
γ a felületi feszültség, N·m−1
r a kapilláris sugara, m
ρv a folyadék sűrűsége, kg·m−3
hv a kapilláris bemerülési mélysége, m
rm a manométerfolyadék sűrűsége, kg·m−3
hma manométerfolyadék maximális nívókülönbsége, m
g a nehézségi gyorsulás, 9,81 m·s−2

A kapilláris sugarának közvetlen mérése nehézkes, ezért azt ismert felületi feszültségű folyadékban (pl. vízben) kialakult nyomáskülönbség mérése útján lehet meghatározni.

A víz hőmérséklettől függő felületi feszültsége t °C-on a

egyenletből számítható ki. Ennek ismeretében a kapilláris sugara az:

összefüggésből adódik.

A buboréknyomásos módszerrel nem csak felületi feszültség mérhető, hanem – ha ismert a felületi feszültség – a kapillárist két különböző mélységbe bemerítve a vizsgálandó folyadék sűrűsége is meghatározható.

A sztalagmométeres módszer[szerkesztés]

A sztalagmométeres módszer elve azon alapszik, hogy a folyadék a speciálisan kialakított pipettából, a sztalagmométerből lassan kicsepegve a felületi feszültségétől és a sűrűségétől függő nagyságú cseppeket képez. A csepp leszakadása éppen akkor következik be, amikor a növekvő csepp súlya (mog = voρog) egyenlő lesz a sztalagmométer tárcsaszerűen kiképzett r sugarú, alsó csiszolt korongján működő felületi erővel: (2rπγo). A felületi feszültség a V térfogatú pipettában lévő oldat kicsepegtetésekor észlelt cseppszámából (no) az alábbi módon számítható:

ill. víz esetén:

amelyből az oldat felületi feszültsége:

Az összefüggésekben:

no a vizsgált oldat cseppszáma,
nv a víz cseppszáma,
r a sztalagmométer korongjának a sugara, m
γo a vizsgált oldat felületi feszültsége, N·m−1
γv a víz felületi feszültsége, N·m−1
ρo az oldat sűrűsége, kg·m−3
ρv a víz sűrűsége, kg·m−3
g a nehézségi gyorsulás, 9,81 m·s−2
k a sztalagmométer állandója
V a sztalagmométer térfogata, m³

A sztalagmométer állandóját desztillált víz felületi feszültségének ismeretében, vízzel végzett kísérlet alapján kell meghatározni.

A kiszakításos módszer[szerkesztés]

A Pt-Ir-gyűrű kiszakítása a felületből
Tenziométer: az erőt torziós szál segítségével méri

A kiszakításos módszer annak az erőnek a mérésén alapszik, amely egy vékony, R sugarú platina-irídium-gyűrűnek a vizsgált folyadékból történő kiemelése közben, a folyadék felületéről való kiszakításához szükséges. A gyűrű kiszakadása akkor következik be, amikor az Fo húzóerő éppen meghaladja a kör alakú gyűrű kerületén – a két folyadékfilmben – működő felületi erőt, vagyis amikor:

amelyből az oldat felületi feszültsége:

Az F erő mérésre ún. torziós mérleg alkalmas, amelyet mérés előtt ismert felületi feszültségű folyadékkal – célszerűen például desztillált vízzel – kalibrálni kell, ezt követően közvetlenül mérhető a folyadék felületi feszültsége. Másik módszer szerint egy műszerállandót (k) kell meghatározni, és a mérési eredményt az alapján korrigálni, mivel víz esetében:

a két összefüggésből pedig

amely összefüggésekben

R a Pt-Rh-gyűrű sugara, m
γo a vizsgált oldat felületi feszültség, N·m−1
γv a víz felületi feszültsége, N·m−1
Fo az oldatból történő kiszakításhoz szükséges erő, N
Fv a vízből történő kiszakításhoz szükséges erő, N
k a műszerállandó, m−1

A nyugvó csepp módszer[szerkesztés]

Vákuumkemence nagyhőmérsékletű olvadékok felületi feszültségének vizsgálatára

A nyugvó csepp módszere egy sík, szilárd felületen elhelyezkedő folyadékcsepp alakjának megfigyelésén alapul. Az egyensúlyba került folyadékcseppről fénykép készül és a felvételről lemérhető a kialakult nedvesítési peremszög is. A határfelületi feszültségek meghatározzák a kialakult olvadékcsepp geometriai jellemzőit, ezért az olvadékcsepp alakját jellemző paraméterekből számítható az olvadék felületi feszültsége, jó közelítéssel az alábbi összefüggéssel:

A kifejezésben:

γlg az olvadék felületi feszültsége, J/m² ,
ρ az olvadék sűrűsége, kg/m³ ,
g a gravitációs állandó, 9,81 m/s² ,
X a csepp legnagyobb horizontális mérete, m,
Z a csepp legnagyobb vertikális mérete, m.

A nyugvó csepp módszer megvalósításához szükséges berendezés vízszintes csőkemencéből áll, amelyben egy vízszintes síkon elhelyezhető a vizsgálandó kerámialap és rajta a vizsgálandó fémdarab (minta). A műszer optikai rendszerrel, hőmérsékletmérésre szolgáló termoelemmel, vákuumrendszerrel és a folyadékcsepp alakjának rögzítésére szolgáló fényképezőgéppel van ellátva.

Hivatkozások[szerkesztés]

  1. https://en.wikipedia.org/wiki/Surface_tension_values
  2. Erdey-Grúz Tibor: Fizikai kémia alapjai. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1963.
  3. Fizikai-kémiai laboratóriumi gyakorlatok. Szerkesztette: Dr. Báder Imre. Miskolci Egyetemi Kiadó. Miskolc,1998.

Kapcsolódó szócikkek[szerkesztés]

Commons
A Wikimédia Commons tartalmaz Felületi feszültség témájú médiaállományokat.
Commons
A Wikimédia Commons tartalmaz Vízcseppek témájú médiaállományokat.