Ciecze w przeciwieństwie do gazów zachowują własną objętość oraz mają niewielką ściśliwość i rozszerzalność termiczną



Pobieranie 82.78 Kb.
Data08.05.2016
Rozmiar82.78 Kb.

STAN CIEKŁY

Ciecze w przeciwieństwie do gazów zachowują własną objętość oraz mają niewielką ściśliwość i rozszerzalność termiczną.

Podobnie jak gazy, ciecze zachowują właściwości izotropowe (jednakowe we wszystkich kierunkach). Siły oddziaływania w cieczach są znacznie większe niż w gazach, > kT. Prowadzi to w wielu cieczach do asocjacji pewnej liczby cząsteczek w większe zespoły, w których cząsteczki powiązane są siłami van der Waalsa.

Obszary uporządkowania cząstek są niewielkie i wykazują krótki czas życia (mają - charakter dynamiczny).


GĘSTOŚĆ


Jedną z podstawowych właściwości fizycznych cieczy jest gęstość (masa jednostki objętości). Chcąc określić gęstość cieczy trzeba więc znać jej masę (m) i objętość (V). Gęstość (d), wyraża się wówczas wzorem:

Gęstość cieczy zależy od temperatury. Zmiany temperatury powodują zmiany objętości cieczy. Przeważnie wzrost temperatury powoduje wzrost objętości, a zatem zmniejszenie się gęstości cieczy. W niektórych przypadkach wpływ temperatury może być inny. Na przykład gęstość wody osiąga maksymalną wartość w temperaturze 277K i maleje zarówno w miarę podwyższenia jak i obniżenia temperatury.

Znane są różne sposoby pomiaru gęstości cieczy. Do szybkich (niezbyt dokładnych pomiarów) stosuje się aerometry lub wagi hydrostatyczne, których działanie oparte jest na prawie Archimedesa. Do dokładnego oznaczenia gęstości cieczy używa się piknometrów (rys 1).

Masę cieczy wyznaczamy, ważąc pusty piknometr na wadze analitycznej, a następnie napełniony cieczą. Wartość liczbową tej masy dzielimy przez znaną objętość piknometru i zgodnie z powyższym wzorem obliczamy poszukiwaną gęstość.

Często przeprowadzamy pomiar gęstości cieczy względem wody. W pomiarze tym niepotrzebna jest znajomość objętości piknometru.

Należy tylko wyznaczyć masę wody wypełniającej piknometr, a następnie masę cieczy badanej i obliczyć ze stosunku mas, gęstość względną cieczy ()





Rys.1. Piknometr

Jeżeli we wzorze określającym gęstość, zamiast m wstawimy masę molową M , otrzymamy objętość molową :



LEPKOŚĆ

W wyniku istnienia sił oddziaływania miedzy cząsteczkami cieczy (sił kohezji) podczas ruchu cieczy, występuje tarcie wewnętrzne zwane lepkością.

Lepkość przejawia się tym, że ciecz wprawiona w ruch, już po krótkim czasie wraca do spoczynku, jeśli nie ma sił zewnętrznych, które by ten ruch podtrzymywały.

Miarą tarcia wewnętrznego (lepkości) jest tzw. współczynnik lepkości cieczy.

Jeżeli weźmiemy dwie dowolne warstwy cieczy o powierzchni , odległe od siebie o , rys 2, to siła potrzebna do przesuwania jednej warstwy względem drugiej z prędkością , jest proporcjonalna do i odwrotnie proporcjonalna do :

Współczynnik proporcjonalności nazywamy współczynnikiem lepkości dynamicznej lub po prostu lepkością.

Stąd:

R
ys.2. Rozkład prędkości cieczy w ruchu laminarnym

Jeżeli S wyrazimy w m2 , x w m, v w , a F w N (niutonach), to lepkość dynamiczna będzie wyrażona w jednostkach :


zwanych paskalosekundami.

Lepkość cieczy jest równa jednej paskalosekundzie (), gdy do nadania dwom warstwom cieczy o powierzchni 1m2 , odległym o 1m, prędkości względnej równej 1m/s, potrzebna jest siła 1N.

W układzie cgs jednostką lepkości dynamicznej był jeden puaz:

Odwrotność lepkości nazywa się płynnością:



- płynność

Oprócz lepkości dynamicznej używane jest również pojęcie lepkości kinematycznej. Lepkość kinematyczna jest to stosunek lepkości dynamicznej do gęstości mierzonej w tej samej temperaturze:


Wymiarem lepkości kinematycznej jest . Jednostką stosowaną w praktyce jest stokes (St), 1St=10-4m2s-1.

W tabeli 1. przedstawiono wartości kilku wybranych cieczy.
Tabela1. Wartości dla wybranych cieczy

związek

(centypuaz)

Eter etylowy

0,233

aceton

0,329

benzen

0,647

czterochlorek węgla

0,968

woda

1,009

alkohol etylowy

1,20

gliceryna

ok. 103

Lepkość waha się w bardzo szerokich granicach i zależy od rodzaju oddziaływań między cząsteczkowych i kształtu cząsteczek.




WPLYW TEMPERATURY


Na wielkość lepkości silny wpływ ma temperatura. Zależność lepkości od temperatury jest wykładnicza:


- energia aktywacji lepkości (bariera energetyczna, którą muszą pokonać cząstki podczas ruchu). Wartości liczbowe energii wynoszą od 1 do 10 kJ/mol i stanowią ¼ do 1/3 wartości molowego ciepła parowania cieczy

METODY WYZNACZANIA


Lepkość jest ważną cechą charakterystyczną cieczy. Warunkuje takie procesy jak, wypływ cieczy przez otwory, przepływ przez rury cylindryczne, czy ruch ciał o różnych kształtach w ośrodkach ciekłych. Pomiary szybkości tych procesów stanowią podstawę do wyznaczania .

Pomiarów lepkości dokonujemy za pomocą różnych lepkościomierzy (wiskozymetrów).

Najczęściej używa się wiskozymetru kulkowego (Höpplera) lub kapilarnego (Ostwalda).

Wiskozymetr kulkowy (Höpplera)


Lepkościomierze kulkowe np. Höpplera, opierają się na prawie Stokesa

W myśl tego prawa, opór (R), stawiany przez ciecz o lepkości , ciału stałemu o promieniu (r), opadającemu z szybkością v wynosi:


Opór ten pokonywany jest przez ciężar ciała:



, pomniejszony w myśl prawa Archimedesa o ciężar cieczy wypartej przez to ciało:

- gęstość ciała stałego (kulki)

- gęstość cieczy
Jeżeli siła tarcia i ciężar kulki staną się równe, to kulka opada ze stałą szybkością określoną równaniem:

stąd:

Znając promień r opadającej kulki, prędkość opadania v gęstość kulki i gęstość cieczy, można obliczyć lepkość w jednostkach bezwzględnych.



Rys. 3. Schemat wiskozymetru Höpplera


2. Wiskozymetr kapilarny, Ostwalda (lepkość względna).

W metodzie wiskozymetrycznej opartej na pomiarach prędkości przepływu badanej cieczy przez kapilarę korzysta się z prawa Poisseuille’a, z którego wynika, że objętość (V) cieczy, wypływającej w czasie t, przez rurkę o promieniu r i długości l pod działaniem różnicy ciśnień (p1-p2), wynikającej z różnicy poziomów cieczy w dwóch ramionach rurki) wynosi:



stad

gdzie, r - promień rurki, - różnica ciśnień między dwoma końcami rurki, przez którą przepływa ciecz, –długość drogi przepływu cieczy, – czas przepływu


Lepkość można wyznaczyć na podstawie powyższych wzorów tj. na postawie pomiaru określających ją wielkości. Najczęściej jednak wyznacza się lepkość względną, używając do tego celu wiskozymetru Oswalda.

Wiskozymetr Oswalda ma kształt litery U (rys.4). Zasadniczą jego częścią jest kapilara o długości ok. 10 cm. Nad kapilarą znajduje się zbiornik ograniczony kreskami 1 i 2.

Oznaczenie sprowadza się do pomiaru czasu swobodnego spływu stałej objętości cieczy V, przez rurkę kapilarną ze zbiornika (od kreski 1 do kreski 2).

Rys.4. Wiskozymetr Oswalda

Pomiar czasu spływu cieczy o znanej lepkości (np. wody) i czasu spływu cieczy badanej, pozwala wyznaczyć lepkość względną:


ponieważ różnica ciśnień (wynikająca z różnicy poziomów cieczy w dwóch ramionach rurki) proporcjonalna jest do gęstości cieczy d, stąd


Pod względem lepkości ciecze dzielimy na dwa rodzaje tzw. ciecze o stałej lepkości, newtonowskie i nie newtonowskie tj. takie, które mają lepkość niestałą zależną od działania siły stycznej. Układami nie newtonowskimi są między innymi są zawiesiny i układy koloidalne. Na lepkość układów koloidalnych wpływa nie tylko kształt i wielkość poszczególnych cząstek, ale i ich łączna objętość, a także ich ładunek elektryczny.

Przekształcając podstawowe równanie definiujące lepkość otrzymujemy:

iloraz , nazywa się naprężeniem ścinającym i zwykle oznacza się je przez P





, jest spadkiem prędkości (szybkość ścinania) poruszających się warstewek cieczy.
Dla cieczy newtonowskich, naprężenie ścinające jest liniową funkcją szybkości ścinania, jest stałym współczynnikiem kierunkowym tej zależności.
Dla cieczy nienewtonowskich, lepkość zmienia się z wielkością działania naprężenia ścinającego. Zależność między ,a () na ogół nie jest prostoliniowa. Lepkość cieczy, w których nie obserwuje się takiej liniowej zależności, nazwano lepkością strukturalna. Jest bowiem najprawdopodobniej związana ze zmianą struktury podczas płynięcia.

Graficzna zależność pomiędzy szybkością ścinania, a naprężeniem ścinającym nazywa się krzywą płynięcia lub reogramem. Nazwa ta pochodzi od reologii - nauki ujmującej związki między naprężeniem a odkształceniem ciał lub między naprężeniem a szybkością odkształcenia.



NAPIĘCIE POWIERZCHNIOWE

Każda cząsteczka znajdująca się wewnątrz fazy ciekłej jest równomiernie otoczona przez inne cząsteczki i ma wysycone siły wzajemnego przyciągania. Siły te są we wszystkich kierunkach przeciętnie jednakowe, a ich wypadkowa jest równa zeru (rys.5).

Natomiast cząsteczki położone w warstwie powierzchniowej znajdują się pod działaniem sił wciągających je do wnętrza cieczy, wskutek tego ciecz wykazuje dążność do zmniejszenia liczby cząsteczek na swej powierzchni. Z tego właśnie powodu kropelki cieczy przybierają kształt kulisty, wykazujący najmniejszą powierzchnię przy danej objętości.


Rys.5. Schemat rozkładu sił wzajemnego oddziaływania między cząsteczkami znajdującymi się na powierzchni cieczy

Przeniesienie cząsteczek z wnętrza cieczy na powierzchnię wymaga wkładu energii (pracy, W ).

Pracę tę, związaną ze zwiększeniem powierzchni S o jednostkę nazywamy energią powierzchniową.

Wielkość tę opisuje się za pomocą tzw. napięcia powierzchniowego :



Napięcie powierzchniowe działa równolegle do powierzchni przeciwstawiając się jej zwiększeniu. Liczone jest w jednostkach pracy na powierzchnię lub siły na jednostkę długości.

Tabela. Napięcie powierzchniowe niektórych cieczy w temp. 200C.




Związek



Woda

Nitrobenzen

Benzen

Czterochlorek węgla



Aceton

Alkohol etylowy

Eter etylowy


7.28

4.18


2.89

2.68


2.37

2.23


1.70



ZALEŻNOŚĆ NAPIECIA POWIERZCHNIOWEGO OD TEMPERATURY

Napięcie powierzchniowe, będące rezultatem oddziaływań między-cząsteczkowych, w dużym stopniu zależy od temperatury. Zależność ta jest zazwyczaj liniowa;



gdzie C i są stałymi, Tk – temperatura krytyczna.

W miarę podwyższania temperatury napięcie powierzchniowe cieczy maleje i w pobliżu temperatury krytycznej osiąga wartość zero. Dlatego pomiary przeprowadza się w ściśle określonej temperaturze (w termostacie).


ZALEZNOŚĆ POMIĘDZY WIELKOŚCIĄ MOLOWEJ ENERGII POWIERZCHNIOWEJ A TEMPERATURĄ

Zależność pomiędzy wielkością molowej energii powierzchniowej a temperaturą podał Eötvös.

Według Eötvösa molowa energia powierzchniowa cieczy jest prostoliniową funkcją temperatury.

Przy założeniu, że mol cieczy ma kształt kuli, powierzchnię molową cieczy określa wyrażenie:



Prostoliniową zależność molowej energii powierzchniowej cieczy od temperatury określa równanie:



gdzie a i k – stałe eksperymentalne, T– temperatura pomiarów.

Stałą a - określa się na podstawie warunku granicznego, gdy temperatura równa jest temperaturze krytycznej, w której zanika granica faz między cieczą a parą. Wartość napięcia powierzchniowego staje się wtedy równe zeru;



czyli


gdzie Tc – temperatura krytyczna, stąd





k – jest współczynnikiem temperaturowym molowej energii powierzchniowej cieczy.

Według Ramsaya i Shieldsa, współczynnik ten ma wartość stałą, wynoszącą około 2,12 dla cieczy niezasocjowanych. Natomiast dla cieczy zasocjowanych (zawierających grupy hydroksylowe) takich jak woda, alkohole, kwasy karboksylowe, współczynnik ten ma wartość niższą i zmienia się ze zmianą temperatury (a więc ze zmianą stopnia asocjacji).

Po dokładnych badaniach okazało się jednak, że istnieją ciecze niezasocjowane, dla których wartość k znacznie odbiega od wartości 2,12 i zmienia się z temperaturą. Na wartość molowej energii powierzchniowej cieczy jak się okazało, ma wpływ nie tylko asocjacja, lecz również struktura warstwy powierzchniowej cieczy oraz wzajemne oddziaływanie cząsteczek zależne od rodzaju cieczy.

PARACHORA

Badania zależności napięcia powierzchniowego od temperatury doprowadziły od sformułowania prostej zależności empirycznej:


gdzie: dc- gęstość cieczy, dp- gęstość pary w temperaturze pomiarów


W temperaturze dalekiej od temperatury krytycznej dc >> dp, tak że wyraz dp, można pominąć . Wówczas otrzymamy:

gdzie - objętość molowa cieczy


Wartość stałej nie zależy od temperatury, a zależy tylko od rodzaju cieczy. Gdy rośnie temperatura wzrasta również objętość molowa, a napięcie powierzchniowe maleje, tak że iloczyn pozostaje stały. Iloczyn został przez Baczyńskiego nazwany parachorą i oznaczony literą P.


Parachora jest wielkością addytywną i konstytutywna.

Wielkościami Addytywnymi nazywamy takie wielkości, których wartość zależy od liczby i rodzaju atomów, składających się na cząsteczkę, a więc od składu chemicznego związku.

Wielkościami konstytutywnymi nazywamy takie, których wartość zależy od rozmieszczenia i rodzaju wiązań między atomami w cząsteczce, a więc od budowy chemicznej związku.


Porównując obliczoną wartość parachory z wartością doświadczalną można sprawdzić czy wzór strukturalny przypisywany danemu związkowi jest poprawny.


METODY WYZNACZANIA NAPIĘCIA POWIERZCHNIOWEGO

Napięcie powierzchniowe istnieje nie tylko na granicy faz; fazy ciekłej i fazy gazowej.

Występuje na granicy dowolnych faz skondensowanych, a więc ciecz-ciecz, ciecz –ciało stałe, ciało stałe –gaz.

Wynikiem istnienia napięcia powierzchniowego na granicy fazy ciekłej jest zjawisko wznoszenia się cieczy w rurkach kapilarnych (rys. 6), na którym oparta jest jedna z metod wyznaczania napięcia powierzchniowego, .metoda „rurek kapilarnych”.




Rys.6. Wznoszenie cieczy w rurce kapilarnej

Jeżeli powierzchnia kapilary zwilżana jest przez ciecz (oddziaływanie cząsteczek cieczy na powierzchnię kapilary jest silniejsze, niż między cząsteczkami cieczy), wówczas następuje wznoszenie się cieczy w rurce kapilarnej.

Siła, która powoduje wznoszenie cieczy, jest równa iloczynowi napięcia powierzchniowego i długości krzywej (2) wzdłuż której działa. Ciecz wznosi się dotąd, dopóki nie nastąpi zrównanie sił napięcia powierzchniowego z siłą ciężkości słupa cieczy w kapilarze:

gdzie: d - gęstość cieczy, g - przyspieszenie ziemskie. Wysokość, na którą wzniesie się ciecz, wyniesie więc:




Z napięciem powierzchniowym związane są również inne zjawiska, np. tworzenie się kropelek cieczy przy jej wypływie z kapilary. Na tym zjawisku oparta jest metoda stalagmometryczna wyznaczania napięcia powierzchniowego, (rys. 7).
Ciecz wypływająca powoli z pionowej grubościennej kapilary (o kolistej, gładko zeszlifowanej dolnej powierzchni) zbiera się na niej w postaci kropli.

Kropla odrywa się od powierzchni, gdy jej ciężar stanie się równy co do wielkości iloczynowi napięcia powierzchniowego działającego na obwodzie koła i długości okręgu:


gdzie:


m- masa kropli, g – przyspieszenie ziemskie, r- promień koła, wzdłuż obwodu, którego odrywa się kropla

Rys.7. Stalagmometr

Jeżeli :

- objętość cieczy w stalagmometrze pomiędzy kreskami a i b wynosi V,

- liczba kropli wypływających w czasie jego opróżniania –n,

- gęstość cieczy badanej-d,

to masa jednej kropli wynosi:

Stąd




Zazwyczaj stosujemy metodę porównawczą, mierząc ilość kropli cieczy wzorcowej o znanym napięciu i cieczy badanej . Zastosowanie metody porównawczej prowadzi do zależności:

Najczęściej cieczą wzorcową jest woda.


Zjawisko odrywania przedmiotów przylegających do powierzchni cieczy, wykorzystano do tensometrycznej metody wyznaczania , z kolei wydzielanie się banieczek gazu z cieczy posłużyło do metody pęcherzykowej wyznaczania napięcia powierzchniowego .

NAPIĘCIE POWIERZCHNIOWE ROZTWORÓW

Rozpuszczenie danej substancji w cieczy powoduje zmianę jej napięcia powierzchniowego. W przypadku roztworów wodnych większość związków chemicznych (z wyjątkiem mocnych elektrolitów) powoduje zmniejszenie napięcia powierzchniowego.


Wpływ substancji rozpuszczonej na napięcie powierzchniowe zależy od tego, czy stężenie tej substancji w warstwie powierzchniowej jest większe, czy też mniejsze, niż w głębi roztworu. To z kolei zależy od oddziaływania cząsteczek wody z cząsteczkami substancji rozpuszczonej
W przypadku mocnych elektrolitów (całkowicie zdysocjowanych) istnieje bardzo silne powinowactwo jonów do polarnych cząsteczek wody. Jony są silnie hydrofilowe i są wciągane w głąb roztworu, stąd napięcie powierzchniowe roztworów elektrolitów mocnych jest wyższe niż wody.

Inaczej jest w przypadku związków organicznych. Węglowodory i inne związki organiczne zawierające grupy alkilowe, są hydrofobowe. Najczęściej wykazują ograniczoną rozpuszczalność, albo gromadzą się na powierzchni roztworu.

Dobrze rozpuszczają się związki o podobnej budowie, wykazujące podobny charakter oddziaływań międzycząsteczkowych. Do wody mają na ogół duże powinowactwo związki polarne, zdolne do tworzenia wiązań wodorowych.

Szczególnie aktywne powierzchniowo są związki zbudowane z długich łańcuchów węglowodorowych, zawierających na końcu grupy silnie hydrofilowe, np. hydroksylowe, karboksylowe, aminowe lub grupy jonogenne – dysocjujące na jony. Związki takie chętnie gromadzą się na powierzchni. Do wnętrza cieczy wciągane są grupy hydrofilowe i jednocześnie silnie wypychane łańcuchy węglowodorowe przedstawia to rysunek 8. Budowę taką mają powszechnie stosowane mydła, które są solami sodowymi lub potasowymi wyższych kwasów tłuszczowych oraz obecnie stosowane detergenty, związki powierzchniowo czynne obniżające napięcie powierzchniowe.





Rys. 8. Usytuowanie cząsteczek związku powierzchniowo czynnego na powierzchni cieczy

Na rys. 9 pokazano zależność napięcia powierzchniowego od stężenia na przykładzie wodnych roztworów aminokwasów. Jak widać, aktywność powierzchniowa wyraźnie zależy od długości łańcucha węglowodorowego.




Rys. 9. Schematyczna zależność σ wodnych roztworów aminokwasów
Zdolność zmniejszania napięcia powierzchniowego nazywamy aktywnością powierzchniową, którą definiuje się jako:

Związek między zmianą napięcia powierzchniowego (aktywnością powierzchniową) a stężeniem powierzchniowym substancji powierzchniowo aktywnej podaje równanie adsorpcji Gibbsa (1878):



gdzie: - jest stężeniem powierzchniowym, wyrażonym w molach/cm2, nosi nazwę nadmiaru powierzchniowego, lub nadwyżki powierzchniowej i wyraża różnicę między ilością moli substancji rozpuszczonej w fazie powierzchniowej o jednostkowej powierzchni, a ilością tejże substancji w równoważnej ilości fazy objętościowej. Nadmiar może być dodatni jak i ujemny



- jest aktywnością powierzchniową,

Z równania tego wynika, że gdy substancja rozpuszczona obniża napięcie powierzchniowe rozpuszczalnika, tj. gdy<0, cząsteczki jej gromadzą się na powierzchni roztworu (> 0).

Natomiast dla cząsteczek substancji podwyższających napięcie powierzchniowe (< 0), cząsteczki „uciekają” z powierzchni
Porównanie równania adsorpcji Gibbsa (izotermy Gibbsa ) z izotermą Langmuira prowadzi do wzoru Szyszkowskiego, który w prosty sposób wiąże zmianę napięcia powierzchniowego ze stężeniem substancji rozpuszczonej:

gdzie: a i b są stałymi. Dla bardzo małych stężeń:



ln(1+bc) = bc

Oznacza to, że zmiana napięcia powierzchniowego powinna być proporcjonalna do stężenia.




NAPIĘCIE MIĘDZYFAZOWE

Jak już wspomniano napięcie powierzchniowe istnieje nie tylko na granicy, faza ciekła-faza gazowa. Działa ono na granicy dowolnych faz skondensowanych i nazywamy go napięciem międzyfazowym.

Napięcie międzyfazowe na granicy zetknięcia się dwóch cieczy, A i B (wzajemnie nierozpuszczających się), równe jest różnicy napięć powierzchniowych tych cieczy (G. Antonow 1907):

Wartość tego napięcia jest zawsze mniejsza od napięcia powierzchniowego obu cieczy względem powietrza, wskutek oddziaływania cząsteczek obu faz poprzez tę granicę.


Jeżeli ciecze wykazują częściową wzajemną rozpuszczalność to w miejsce i należy podstawić napięcia powierzchniowe odpowiednich roztworów nasyconych.

W miarę zwiększania się rozpuszczalności wzajemnej cieczy, czy to w wyniku zmiany temperatury, czy też dodawania trzeciego składnika rozpuszczalnego w obu cieczach, napięcie międzyfazowe maleje i znika w krytycznej temperaturze rozpuszczalności lub w punkcie homogenizacji.

Jeżeli na powierzchni cieczy B umieścimy kroplę cieczy A, to na obwodzie tworzącej się soczewki działają 3- napięcia σA, σB, σAB, rys 10.

Rys. 10. Schemat rozkładu sił na granicy faz dwóch niemieszających się cieczy


- i - dążą do nadania kropli kształtu kulistego

- - rozciąga kroplę w kształcie błonki.

Jeżeli:

< +


  • ma miejsce kontrakcja kropli.

Jeżeli:


> +


  • następuje rozpływanie się kropli.

Praca potrzebna do rozdzielenia graniczących cieczy, wzdłuż powierzchni zetknięcia, przypadająca na jednostkę powierzchni, nazywana jest adhezją i wyraża się wzorem:



Jeżeli natomiast, kropla spoczywa na powierzchni ciała stałego i tworzy z nim kąt , rys. 11, to napięcia powierzchniowe stykających się faz w stanie równowagi związane są ze sobą równaniem:


Rys. 11. Równowaga sił napięcia powierzchniowego na obwodzie kropli: a -częściowo zwilżającej ciało stałe, b- przy praktycznym braku zwilżalności

PRACA ADHEZJI I KOHEZJI

O tendencji cieczy do zwilżania ciała stałego decyduje praca adhezji i kohezji.

Praca adhezji przedstawia energię konieczną do oderwania cieczy od jednostkowej powierzchni ciała stałego, z równoczesnym utworzeniem dwóch nowych powierzchni o tej samej wielkości: powierzchni ciecz-gaz oraz ciało stałe gaz

Praca adhezji, Wadh, zgodnie z definicją powierzchniowej energii swobodnej ( właściwej) wynosi:



W podobny sposób definiuje się pracę kohezji, Wk , jako pracę rozerwania słupa cieczy o jednostkowym przekroju, z utworzeniem dwóch powierzchni swobodnych o tej samej wielkości stąd :

Biorąc pod uwagę powyższe równania, pracę adhezji można wyrazić równaniem:


Wielkość kąta , θ (teta), zwanego kątem zwilżania zależy od warunków energetycznych na granicy między fazą stałą a ciekłą oraz na granicy między cieczą a gazem.

Jeżeli to co, czyli - ciecz zwilża doskonale ciało stałe.
Natomiast, jeżeli , wówczas θ przybierze odpowiednio wartości z przedziału 0 -1800 .

W przypadku granicznym Wadh=0, gdy θ =1800, ciecz tworzy kulistą kroplę na powierzchni ciała stałego ( nie zwilża ciała stałego). W rzeczywistości kąt θ, zawsze jest mniejszy od 1800. Tak np. kropla rtęci na powierzchni szkła wykazuje kąt zwilżania 1400.



Kąt zwilżania czystej powierzchni szkła i metali przez wodę i większość cieczy organicznych wynosi 0.

Obecność na powierzchni molekularnych warstw zanieczyszczeń np. tłuszczów, powoduje zwiększenie kąta zwilżania. Zerowy kąt zwilżania jest warunkiem skutecznego oczyszczenia powierzchni, jak również działania smarów zmniejszających tarcie między dwoma powierzchniami stałymi.

Z drugiej strony różny od zera kąt zwilżania umożliwia unoszenie się na powierzchni cieczy ciał stałych o gęstości większej od gęstości cieczy. zjawisko to wykorzystywane jest we flotacji.

ŚRODKI POWIERZCHNIOWO CZYNNE. PIANY, FLOTACJA

Substancje tworzące warstwy powierzchniowe, które zmieniają napięcie powierzchniowe (związki powierzchniowo czynne) mają ogromne znaczenie w życiu codziennym i w wielu gałęziach przemysłu.

Środki powierzchniowo czynne (detergenty, surfaktanty) obniżają napięcie powierzchniowe cieczy.

Stosuje się je gdy chodzi o zapewnienie całkowitej zwilżalności. Jak już zostało wykazane warunkiem zwilżania jest by:


Substancje obniżające napięcie powierzchniowe wody mają ogromne znaczenie w życiu codziennym i w wielu gałęziach przemysłu. Stosuje się je gdy chodzi o zapewnienie całkowitej zwilżalności fazy stałej (powierzchni oczyszczanej, tkaniny barwionej, lub poddawanej procesowi wykańczającemu.

Detergent zmniejsza wartość .

Wspólną cechą detergentów jest obecność w cząsteczce grupy hydrofilowej i długiego łańcucha alkilowego lub alkilo-arylowego. Rozróżnia się:

- detergenty anionowe, w których grupą hydrofilową jest reszta kwasowa (sole kwasów karboksylowych (mydła), estry kwasu siarkowego, sulfoniany),

- detergenty kationowe, zawierające zazwyczaj grupę aminową lub amoniową

- detergenty niejonowe najczęściej pochodne tlenku etylenu (alkilo- i alkilo-fenylo-polietylenoglikole). Łańcuch powinien być możliwie długi, lecz ogranicza to rozpuszczalność związku.
Dla większości detergentów napięcie powierzchniowe wynosi ok. 40-45

mN.m-1, co pozwala obniżyć napięcie powierzchniowe roztworów wodnych do ok. 30 mN.m-1.

Substancje powierzchniowo czynne spełniają ważną rolę w tworzeniu i utrwalaniu pian (zawiesiny gazów w cieczach) przez adsorpcję w sposób zorientowany na powierzchni pęcherzyków gazowych. Grupy hydrofilowe na powierzchni fazy ciekłej zapobiegają koalescencji czyli zbiegania się pęcherzyków

Tworzenie piany stanowi jeden z elementów przemysłowego procesu flotacji rud.

Proces ten opiera się na różnicy zwilżalności minerału i złoża (skały płonnej). Ciała stałe wykazujące duży kąt zwilżania mogą unosić się na powierzchni cieczy.


Do zmielonej i zarobionej wodą rudy dodaje się tzw. kolektorów. Dla minerałów siarczkowych dobrymi kolektorami są ksantogeniany o ogólnym wzorze

gdzie R- jest niezbyt długim łańcuchem alkilowym. Kolektor ulega chemisorpcji grupą –S- , na powierzchni minerału, łańcuchy węglowodorowe zaś stanowią hydrofobową osłonę ziarna zapewniającą duży kąt zwilżania. Ponadto dodaje się do wody odczynnika pianotwórczego, np. mieszaninę krezoli. Strumień powietrza wdmuchiwany od spodu zbiornika powoduje wytworzenie się obfitej piany. Ziarna minerału pokryte monomolekularną warstwą kolektora przyczepiają się do pęcherzyków piany i wypływają z nią na wierzch zbiornika. W Polsce przeprowadza się flotację rudy miedzi, cynku i ołowiu.









©absta.pl 2019
wyślij wiadomość

    Strona główna