„Felületi feszültség” változatai közötti eltérés
[ellenőrzött változat] | [ellenőrzött változat] |
a defaultsort |
a kisebb formai javítások |
||
5. sor: | 5. sor: | ||
A '''felületi feszültség''' a [[folyadék]]ok 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 ([[atom]]ok, egyszerű és összetett [[ion]]ok, 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''' a [[folyadék]]ok 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 ([[atom]]ok, egyszerű és összetett [[ion]]ok, 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 [[sűrűség]]ük nagyobb, mint a folyadéké. |
A felületi feszültség következménye, hogy bizonyos tárgyak és állatkák a vízben nem süllyednek el, a víz felületén maradnak, bár a [[sűrűség]]ük nagyobb, mint a folyadéké. |
||
__TOC__ |
__TOC__ |
||
== A felületi feszültség magyarázata == |
== A felületi feszültség magyarázata == |
||
[[Fájl:Feluletireteg.jpg|200px|thumb|balra|Folyadék felületi rétege vázlatosan]] |
[[Fájl:Feluletireteg.jpg|200px|thumb|balra|Folyadék felületi rétege vázlatosan]] |
||
A felületi feszültség léte a molekuláris erőkkel függ össze. |
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 aszimmetrikus erőhatások miatt nagyobb energiájú állapotban vannak, mint a folyadék belsejében elhelyezkedő azonos felépítésű, egymáshoz képest energetikailag kiegyensúlyozott társaik. |
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 aszimmetrikus erőhatások miatt nagyobb energiájú állapotban vannak, mint a folyadék belsejében elhelyezkedő azonos felépítésű, 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. |
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 [[nyomás]]t fejtenek ki, amelyet közvetlenül megmérni nem lehet, de közelítő számítások alapján ez a nyomás például víz esetében az atmoszférikus nyomás több ezerszeresét is eléri. Ez megmagyarázza, hogy a folyadékok összenyomhatósága kicsi, hiszen külső hatás nélkül is összenyomott állapotban vannak. |
A kohéziós erők a felületre ún. kohéziós [[nyomás]]t fejtenek ki, amelyet közvetlenül megmérni nem lehet, de közelítő számítások alapján ez a nyomás például víz esetében az atmoszférikus 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 mennyiség|intenzív fizikai mennyiség]]. |
Ennek az aszimmetrikus erőhatásnak a mértéke a felületi feszültség (jele ''γ'', vagy ''σ''), amely az anyagokra jellemző [[Intenzív mennyiség|intenzív fizikai mennyiség]]. |
||
Az elnevezése csak részben helytálló, ugyanis nem [[Mechanikai feszültség|feszültség]] jellegű mennyiség, hanem mint a definíciós összefüggésből kitűnik: a felületben, annak egységnyi hosszúságú vonalában ható [[erő]]vel (N/m), vagy egységnyi nagyságú felület létrehozásához szükséges munkával (J/m<sup>2</sup>), az ún. felületi munkával egyenlő. |
Az elnevezése csak részben helytálló, ugyanis nem [[Mechanikai feszültség|feszültség]] jellegű mennyiség, hanem mint a definíciós összefüggésből kitűnik: a felületben, annak egységnyi hosszúságú vonalában ható [[erő]]vel (N/m), vagy egységnyi nagyságú felület létrehozásához szükséges munkával (J/m<sup>2</sup>), az ún. felületi munkával egyenlő. |
||
== A felületi munka == |
== A felületi munka == |
||
[[Fájl:Felfeszert.jpg|thumb|left|200px|A felületi munka értelmezése]] |
[[Fájl:Felfeszert.jpg|thumb|left|200px|A felületi munka értelmezése]] |
||
Ahhoz, hogy a folyadék belsejéből molekulákat juttassunk a felszínre, ezáltal a felszín d''A''-val növekedjék, a felszínt kifeszítő erők ellenében d''w'' munkát kell végeznünk. (Emiatt nagyobb a felszínen lévő részecskék helyzeti energiája, mint a folyadék belsejében lévőké.) |
Ahhoz, hogy a folyadék belsejéből molekulákat juttassunk a felszínre, ezáltal a felszín d''A''-val növekedjék, a felszínt kifeszítő erők ellenében d''w'' munkát kell végeznünk. (Emiatt nagyobb a felszínen lévő részecskék helyzeti energiája, mint a folyadék belsejében lévőké.) |
||
<br />A felület valamely ℓ hosszúságú vonala mentén, arra merőlegesen a szomszédos részecskék között ''F'' erő hat, amely ellenében ℓd''x'' =d''A'' új felület létrehozásához ''F''d''x'' = d''w'' munka befektetése szükséges: |
<br />A felület valamely ℓ hosszúságú vonala mentén, arra merőlegesen a szomszédos részecskék között ''F'' erő hat, amely ellenében ℓd''x'' =d''A'' új felület létrehozásához ''F''d''x'' = d''w'' munka befektetése szükséges: |
||
:<math> \gamma = \frac{\mathrm{d}w}{\mathrm{d}A} = \frac{F\mathrm{d}x}{l\mathrm{d}x} \approx \frac{w}{A} = \frac{F}{l} \ </math>, mértékegységei: <math>\ \frac{\mathrm J}{\mathrm m^2} = \frac{\mathrm N}{\mathrm m} \ .</math> |
:<math> \gamma = \frac{\mathrm{d}w}{\mathrm{d}A} = \frac{F\mathrm{d}x}{l\mathrm{d}x} \approx \frac{w}{A} = \frac{F}{l} \ </math>, mértékegységei: <math>\ \frac{\mathrm J}{\mathrm m^2} = \frac{\mathrm N}{\mathrm m} \ .</math> |
||
45. sor: | 44. sor: | ||
| width="100" align="center" bgcolor="E0E0E0"| [[Anyag]] |
| width="100" align="center" bgcolor="E0E0E0"| [[Anyag]] |
||
| width="80" align="center" bgcolor="E0E0E0"| [[Hőmérséklet]], °C |
| width="80" align="center" bgcolor="E0E0E0"| [[Hőmérséklet]], °C |
||
| width="100" align="center" bgcolor="E0E0E0"| Felületi feszültség, mN·m<sup>−1</sup> = mJ·m<sup>−2</sup > |
| width="100" align="center" bgcolor="E0E0E0"| Felületi feszültség, mN·m<sup>−1</sup> = mJ·m<sup>−2</sup > |
||
| width="100" align="center" bgcolor="E0E0E0"| [[Anyag]] |
| width="100" align="center" bgcolor="E0E0E0"| [[Anyag]] |
||
| width="80" align="center" bgcolor="E0E0E0"| [[Hőmérséklet]], °C |
| width="80" align="center" bgcolor="E0E0E0"| [[Hőmérséklet]], °C |
||
| width="100" align="center" bgcolor="E0E0E0"| Felületi feszültség, mN·m<sup>−1</sup> = mJ·m<sup>−2</sup > |
| width="100" align="center" bgcolor="E0E0E0"| Felületi feszültség, mN·m<sup>−1</sup> = mJ·m<sup>−2</sup > |
||
|- |
|- |
||
|align="center"| [[Aceton]] ||align="center"| 20 || align="center"|23,7||align="center"| [[Metanol|Metil-alkohol]] ||align="center"| 20|| align="center"|22,50 |
|align="center"| [[Aceton]] ||align="center"| 20 || align="center"|23,7||align="center"| [[Metanol|Metil-alkohol]] ||align="center"| 20|| align="center"|22,50 |
||
60. sor: | 59. sor: | ||
|align="center"| [[Dietil-éter]] ||align="center"| 25|| align="center"|20,14||align="center"| [[Toluol]] ||align="center"| 20|| align="center"|28,52 |
|align="center"| [[Dietil-éter]] ||align="center"| 25|| align="center"|20,14||align="center"| [[Toluol]] ||align="center"| 20|| align="center"|28,52 |
||
|- |
|- |
||
|align="center"| [[Etilénglikol|Etilén-glikol]] ||align="center"| 25|| align="center"|47,3||align="center"| [[Víz]] ||align="center"| 20|| align="center"|72,86 |
|align="center"| [[Etilénglikol|Etilén-glikol]] ||align="center"| 25|| align="center"|47,3||align="center"| [[Víz]] ||align="center"| 20|| align="center"|72,86 |
||
|- |
|- |
||
|align="center"| [[Etanol|Etil-alkohol]] ||align="center"| 20|| align="center"|22,39||align="center"| [[Víz]] ||align="center"| 25|| align="center"|71,99 |
|align="center"| [[Etanol|Etil-alkohol]] ||align="center"| 20|| align="center"|22,39||align="center"| [[Víz]] ||align="center"| 25|| align="center"|71,99 |
||
82. sor: | 81. sor: | ||
[[Fájl:DropletContactAngle.jpg|thumb |right |250px|Részleges nedvesítés, a peremszög < 90° és részleges nem nedvesítés: a peremszög > 90°.]] |
[[Fájl:DropletContactAngle.jpg|thumb |right |250px|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 erő]]k hatására a folyadék belseje felé igyekeznek elmozdulni, vagyis a felület valóban csökkenni igyekszik. |
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 erő]]k 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 halmazállapot|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. |
Ha ezeknek az erőknek a folyadék (ℓ) molekuláira kifejtett hatása nem hanyagolható el – például egy [[Szilárd halmazállapot|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. |
||
[[Fájl:Thomas Young (scientist).jpg|thumbnail|left|200px|Thomas '''Young''' (1773-1829) angol tudós]] |
[[Fájl:Thomas Young (scientist).jpg|thumbnail|left|200px|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 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 (''γ''<sub>sg</sub>, ''γ''<sub>ℓs</sub>, ''γ''<sub>ℓg</sub>). Értelmezése hasonló a felületi feszültségéhez, csak itt a [[kohéziós erő]]kön kívül az [[adhéziós erő]]k is közreműködnek. A folyadék addig terül a felületen, amíg az erőegyensúly beáll. Az erőegyensúly feltétele ('''Young-egyenlet'''): |
A közös határon fellépő erőket a '''határfelületi feszültséggel''' jellemezzük (''γ''<sub>sg</sub>, ''γ''<sub>ℓs</sub>, ''γ''<sub>ℓg</sub>). Értelmezése hasonló a felületi feszültségéhez, csak itt a [[kohéziós erő]]kön kívül az [[adhéziós erő]]k is közreműködnek. A folyadék addig terül a felületen, amíg az erőegyensúly beáll. Az erőegyensúly feltétele ('''Young-egyenlet'''): |
||
98. sor: | 97. sor: | ||
[[Fájl:CapillaryAction.svg|thumb|200px|right| Kapilláris emelkedés és kapilláris süllyedés]] |
[[Fájl:CapillaryAction.svg|thumb|200px|right| Kapilláris emelkedés és kapilláris süllyedés]] |
||
[[Fájl:CapillaryRiseDiagram.jpg|thumb|200px|right| Kapilláris emelkedés jelensége és a folyadék felszíne (meniszkusza) a csőben]] |
[[Fájl:CapillaryRiseDiagram.jpg|thumb|200px|right| Kapilláris emelkedés jelensége és a folyadék felszíne (meniszkusza) a csőben]] |
||
Úgyszintén a felületi feszültséggel függ össze az ún. '''kapilláris emelkedés''' és '''kapilláris süllyedés''' jelensége. |
Úgyszintén a felületi feszültséggel függ össze az ún. '''kapilláris emelkedés''' és '''kapilláris süllyedés''' jelensége. |
||
104. sor: | 103. sor: | ||
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 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 (''F''<sub>g</sub>) miatt egy lefelé ható erő működik, amelynek nagysága a folyadékoszlop súlyával egyenlő: |
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 (''F''<sub>g</sub>) miatt egy lefelé ható erő működik, amelynek nagysága a folyadékoszlop súlyával egyenlő: |
||
:<math>F_\mathrm g = r^2 \pi \rho gh \ .</math> |
:<math>F_\mathrm g = r^2 \pi \rho gh \ .</math> |
||
Ezt az erőt ellensúlyozza a folyadék és az üveg részecskéi között működő adhéziós erő felfelé mutató komponense (''F''<sub>γ</sub>): |
Ezt az erőt ellensúlyozza a folyadék és az üveg részecskéi között működő adhéziós erő felfelé mutató komponense (''F''<sub>γ</sub>): |
||
:<math> F_\mathrm{\gamma} = 2r\pi \gamma \mathrm{cos} \mathit \Theta \ . </math> |
:<math> F_\mathrm{\gamma} = 2r\pi \gamma \mathrm{cos} \mathit \Theta \ . </math> |
||
120. sor: | 119. sor: | ||
[[Fájl:Roland Eotvos.jpg|thumb|right|180px|Eötvös Loránd (1848-1919)]] |
[[Fájl:Roland Eotvos.jpg|thumb|right|180px|Eötvös Loránd (1848-1919)]] |
||
A tiszta folyadékok felületi feszültsége csökken a hőmérséklet növekedésével. A [[van der Waals-egyenlet|kritikus hőmérsékleten]] megszűnik a [[folyadék]] és annak [[gőz]]e közötti különbség, a fázishatár is eltűnik, a felületi feszültség nullára csökken. A felületi feszültség hőmérséklettel való változásából következtetni lehet a folyadék állapotbeli [[Molekula|molekulák]] állapotára. A ''T'' hőmérsékleten mért felületi feszültség, a folyadék moláris térfogata és a hőmérséklet között az alábbi összefüggés áll fenn: |
A tiszta folyadékok felületi feszültsége csökken a hőmérséklet növekedésével. A [[van der Waals-egyenlet|kritikus hőmérsékleten]] megszűnik a [[folyadék]] és annak [[gőz]]e közötti különbség, a fázishatár is eltűnik, a felületi feszültség nullára csökken. A felületi feszültség hőmérséklettel való változásából következtetni lehet a folyadék állapotbeli [[Molekula|molekulák]] állapotára. A ''T'' hőmérsékleten mért felületi feszültség, a folyadék moláris térfogata és a hőmérséklet között az alábbi összefüggés áll fenn: |
||
:<math>\gamma V_\mathrm m^{2/3} = k(T_\mathrm c -T) \ , </math> |
:<math>\gamma V_\mathrm m^{2/3} = k(T_\mathrm c -T) \ , </math> |
||
ahol |
ahol |
||
:''V''<sub>m</sub> a folyadék moláris térfogata, m<sup>3</sup>/mol, |
:''V''<sub>m</sub> a folyadék moláris térfogata, m<sup>3</sup>/mol, |
||
:''γ'' a folyadék felületi feszültsége, N/m |
:''γ'' a folyadék felületi feszültsége, N/m |
||
130. sor: | 129. sor: | ||
:''T''<sub>c</sub> az anyag kritikus hőmérséklete, K |
:''T''<sub>c</sub> az anyag kritikus hőmérséklete, K |
||
:''k'' az Eötvös-féle állandó, J/K |
:''k'' az Eötvös-féle állandó, J/K |
||
Ez a kifejezés az '''Eötvös-szabály'''. Az ún. normális folyadékok esetén az Eötvös-féle állandó értéke 2,1 x 10<sup> -7</sup> J/(K mol<sup>2/3</sup>). |
Ez a kifejezés az '''Eötvös-szabály'''. Az ún. normális folyadékok esetén az Eötvös-féle állandó értéke 2,1 x 10<sup> -7</sup> J/(K mol<sup>2/3</sup>). |
||
A legtöbb folyadék esetében a felületi feszültség már 6 °C-kal a [[van der Waals-egyenlet|kritikus hőmérséklet]] alatt gyakorlatilag nulla, ezért az Eötvös-szabály alábbi alakja pontosabb eredményt ad: |
A legtöbb folyadék esetében a felületi feszültség már 6 °C-kal a [[van der Waals-egyenlet|kritikus hőmérséklet]] alatt gyakorlatilag nulla, ezért az Eötvös-szabály alábbi alakja pontosabb eredményt ad: |
||
136. sor: | 135. sor: | ||
:<math>\gamma V_\mathrm m^{2/3} = k(T_\mathrm c - 6 - T) \ . </math> |
:<math>\gamma V_\mathrm m^{2/3} = k(T_\mathrm c - 6 - T) \ . </math> |
||
A ''V''<sup>2/3</sup> mennyiség a folyadék 1 móljának a felületével arányos (mólfelület), ezért a ''γV''<sup>2/3</sup> 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. |
A ''V''<sup>2/3</sup> mennyiség a folyadék 1 móljának a felületével arányos (mólfelület), ezért a ''γV''<sup>2/3</sup> 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 === |
=== Néhány anyag Eötvös-féle állandója === |
||
{| class="toccolours" border="1" style="float: left; clear: left; margin: 0 0 1em 1em; border-collapse: collapse;" |
{| class="toccolours" border="1" style="float: left; clear: left; margin: 0 0 1em 1em; border-collapse: collapse;" |
||
! {{chembox header}} colspan="4" |Néhány anyag Eötvös-féle állandója <sup>[2]</sup> |
! {{chembox header}} colspan="4" |Néhány anyag Eötvös-féle állandója <sup>[2]</sup> |
||
|- |
|- |
||
| width="150" align="center" bgcolor="E0E0E0"| Anyag |
| width="150" align="center" bgcolor="E0E0E0"| Anyag |
||
169. sor: | 168. sor: | ||
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.<ref>Erdey-Grúz Tibor: Fizikai kémia alapjai. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1963.</ref> |
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.<ref>Erdey-Grúz Tibor: Fizikai kémia alapjai. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1963.</ref> |
||
Az Eötvös-féle állandó kisebb értékét úgy értelmezik, hogy ezeknek az anyagoknak folyékony halmazállapotban más a [[moláris tömeg]]ük, 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. |
Az Eötvös-féle állandó kisebb értékét úgy értelmezik, hogy ezeknek az anyagoknak folyékony halmazállapotban más a [[moláris tömeg]]ük, 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. |
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. |
||
177. sor: | 176. sor: | ||
[[Fájl:Tenzidvizben.jpg|thumb|right|200px|Tenzidmolekula elhelyezkedése a folyadék felszínén]] |
[[Fájl:Tenzidvizben.jpg|thumb|right|200px|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 [[zsírsav]]ak [[nátrium]][[só]]i. |
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 [[zsírsav]]ak [[nátrium]][[só]]i. |
||
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 [[zsír]]os 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 [[emulzió]]t képeznek. |
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 [[zsír]]os 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 [[emulzió]]t képeznek. |
||
190. sor: | 189. sor: | ||
:a buboréknyomásos módszer, |
:a buboréknyomásos módszer, |
||
:a sztalagmométeres módszer, |
:a sztalagmométeres módszer, |
||
:a kiszakításos módszer és |
:a kiszakításos módszer és |
||
:a nyugvó csepp módszer, főként nagyhőmérsékleten, például fémolvadék esetén. |
:a nyugvó csepp módszer, főként nagyhőmérsékleten, például fémolvadék esetén. |
||
=== Kapilláris emelkedés és kapilláris süllyedés === |
=== Kapilláris emelkedés és kapilláris süllyedés === |
||
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'' [[sűrűség]]ű folyadékoszlop súlya egyensúlyt tart a meniszkusznál fellépő adhéziós erővel. A fentebb már levezetett összefüggésből a felületi feszültségre az alábbi egyenlet adódik: |
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'' [[sűrűség]]ű folyadékoszlop súlya egyensúlyt tart a meniszkusznál fellépő adhéziós erővel. A fentebb már levezetett összefüggésből a felületi feszültségre az alábbi egyenlet adódik: |
||
:<math>\gamma = \frac{r\rho g h}{2 \mathrm {cos}\mathit \Theta} \ . </math> |
:<math>\gamma = \frac{r\rho g h}{2 \mathrm {cos}\mathit \Theta} \ . </math> |
||
Az egyenletben: |
Az egyenletben: |
||
:''γ'' a felületi feszültség, N·m<sup>−1</sup> |
:''γ'' a felületi feszültség, N·m<sup>−1</sup> |
||
251. sor: | 250. sor: | ||
:<math>\gamma = 0,0729 - 1,55\cdot 10^{-4} (t- 18 ) \ , \mathrm {N\cdot m^{-1}} \ ,</math> |
:<math>\gamma = 0,0729 - 1,55\cdot 10^{-4} (t- 18 ) \ , \mathrm {N\cdot m^{-1}} \ ,</math> |
||
egyenletből számítható ki. Ennek ismeretében a kapilláris sugara az: |
egyenletből számítható ki. Ennek ismeretében a kapilláris sugara az: |
||
275. sor: | 274. sor: | ||
:<math> \gamma_\mathrm o = \gamma_\mathrm v \frac{n\rho_\mathrm o |
:<math> \gamma_\mathrm o = \gamma_\mathrm v \frac{n\rho_\mathrm o |
||
}{n_\mathrm o} \ .</math> |
}{n_\mathrm o} \ .</math> |
||
Az összefüggésekben: |
Az összefüggésekben: |
||
:''n''<sub>o</sub> a vizsgált [[oldat]] cseppszáma, |
:''n''<sub>o</sub> a vizsgált [[oldat]] cseppszáma, |
||
:''n''<sub>v</sub> a [[víz]] cseppszáma, |
:''n''<sub>v</sub> a [[víz]] cseppszáma, |
||
:''r'' a sztalagmométer korongjának a sugara, m |
:''r'' a sztalagmométer korongjának a sugara, m |
||
:''γ''<sub>o</sub> a vizsgált [[oldat]] felületi feszültsége, N·m<sup>−1</sup> |
:''γ''<sub>o</sub> a vizsgált [[oldat]] felületi feszültsége, N·m<sup>−1</sup> |
||
:''γ''<sub>v</sub> a [[víz]] felületi feszültsége, N·m<sup>−1</sup> |
:''γ''<sub>v</sub> a [[víz]] felületi feszültsége, N·m<sup>−1</sup> |
||
286. sor: | 285. sor: | ||
:''ρ''<sub>v</sub> a [[víz]] [[sűrűség]]e, kg·m<sup>−3</sup> |
:''ρ''<sub>v</sub> a [[víz]] [[sűrűség]]e, kg·m<sup>−3</sup> |
||
:''g'' a nehézségi gyorsulás, 9,81 m·s<sup>−2</sup> |
:''g'' a nehézségi gyorsulás, 9,81 m·s<sup>−2</sup> |
||
: ''k'' a sztalagmométer állandója |
: ''k'' a sztalagmométer állandója |
||
: ''V'' a sztalagmométer térfogata, m<sup>3</sup> |
: ''V'' a sztalagmométer térfogata, m<sup>3</sup> |
||
A sztalagmométer állandóját desztillált [[víz]] felületi feszültségének ismeretében, vízzel végzett kísérlet alapján kell meghatározni. |
A sztalagmométer állandóját desztillált [[víz]] felületi feszültségének ismeretében, vízzel végzett kísérlet alapján kell meghatározni. |
||
305. sor: | 304. sor: | ||
Az ''F'' [[erő]] mérésre ún. torziós mérleg alkalmas, amelyet mérés előtt ismert felületi feszültségű folyadékkal – célszerűen például desztillált [[víz]]zel – 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: |
Az ''F'' [[erő]] mérésre ún. torziós mérleg alkalmas, amelyet mérés előtt ismert felületi feszültségű folyadékkal – célszerűen például desztillált [[víz]]zel – 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: |
||
:<math> \gamma_\mathrm v = k'F_\mathrm v \ ,</math> |
:<math> \gamma_\mathrm v = k'F_\mathrm v \ ,</math> |
||
a két összefüggésből pedig |
a két összefüggésből pedig |
||
313. sor: | 312. sor: | ||
amely összefüggésekben |
amely összefüggésekben |
||
: ''R'' a Pt-Rh-gyűrű sugara, m |
: ''R'' a Pt-Rh-gyűrű sugara, m |
||
:''γ''<sub>o</sub> a vizsgált [[oldat]] felületi feszültség, N·m<sup>−1</sup> |
:''γ''<sub>o</sub> a vizsgált [[oldat]] felületi feszültség, N·m<sup>−1</sup> |
||
:''γ''<sub>v</sub> a [[víz]] felületi feszültsége, N·m<sup>−1</sup> |
:''γ''<sub>v</sub> a [[víz]] felületi feszültsége, N·m<sup>−1</sup> |
||
323. sor: | 322. sor: | ||
[[Fájl:Vakuumkemence.jpg|thumb|right|300px|Vákuumkemence nagyhőmérsékletű olvadékok felületi feszültségének vizsgálatára]] |
[[Fájl:Vakuumkemence.jpg|thumb|right|300px|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 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: |
||
343. sor: | 342. sor: | ||
{{commons|Surface tension}} |
{{commons|Surface tension}} |
||
{{commonscat|Water_droplets|Vízcseppek}} |
{{commonscat|Water_droplets|Vízcseppek}} |
||
* [[Szappanbuborék]] |
* [[Szappanbuborék]] |
||
* [[Lótusz-effektus]] |
* [[Lótusz-effektus]] |
||
* [[Intenzív mennyiség]] |
* [[Intenzív mennyiség]] |
A lap 2010. július 19., 11:06-kori változata
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
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 aszimmetrikus erőhatások miatt nagyobb energiájú állapotban vannak, mint a folyadék belsejében elhelyezkedő azonos felépítésű, 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 atmoszférikus 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.
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
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
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
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.
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
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
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
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
Néhány anyag Eötvös-féle állandója [2] | |||
---|---|---|---|
Anyag | Eötvös-féle állandó, J/K | Anyag | Eötvös-féle állandó, J/K |
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
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?
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
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
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
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
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
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
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
- ↑ http://en.wikipedia.org/wiki/Surface_tension_values
- ↑ Erdey-Grúz Tibor: Fizikai kémia alapjai. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1963.
- ↑ Fizikai-kémiai laboratóriumi gyakorlatok. Szerkesztette: Dr. Báder Imre. Miskolci Egyetemi Kiadó. Miskolc,1998.
Kapcsolódó szócikkek