GRÆNSEFLADESPÆNDING: DEFINITION, LIGNING, ENHEDER OG MÅLING - FYSISK - 2025

Den grænsefladespænding (γ) er den resulterende kraft per længdeenhed udøves på kontaktfladen mellem en fase (fast eller flydende) og en anden (fast, flydende eller gasformigt). Nettokraften er lodret mod kontaktfladen og er rettet mod det indre af faserne.

Når en af ​​faserne er en gas kaldes det normalt overfladespænding. Faserne i kontakt er ikke blandbare, det vil sige, de kan ikke opløses sammen for at danne en løsning. Regionens kontakt mellem faser er en geometrisk separationsoverflade kaldet grænsefladen. Grænsefladespænding skyldes intermolekylære kræfter, der findes på grænsefladen.

Krafter mellem molekyler af en væske i kontakt med luft

Grænsefladespænding spiller en vigtig rolle i mange grænsefladefænomener og processer såsom emulsionsproduktion og olieproduktion.

Definition

Grænsefladens egenskaber er ikke de samme som egenskaberne inden i de faser, der er i kontakt, fordi forskellige molekylære interaktioner manifesteres, fordi der i dette område er molekyler, der hører til både den ene fase og den anden.

Molekyler inden for en fase interagerer med tilstødende molekyler, som har lignende egenskaber. Følgelig er den indre indre kraft nul, fordi de attraktive og frastødende interaktioner er ens i alle mulige retninger.

Molekylerne, der er på overfladen mellem de to faser, er omgivet af molekyler fra den samme fase, men også af nabomolekyler fra den anden fase.

I dette tilfælde er nettokraften ikke nul, og den er rettet mod det indre af den fase, hvor der er større interaktion. Resultatet er, at molekylernes energitilstand på overfladen er større end energitilstanden i fasen.

Nettokraften, der virker indad pr. Enhedslængde langs grænsefladen, er grænsefladespændingen. På grund af denne kraft har molekyler spontant en tendens til at minimere energi, hvilket minimerer overfladearealet for hver volumenhed.

Definition baseret på arbejde og energi

For at tiltrække et molekyle fra indersiden til overfladen er det nødvendigt, at kræfterne, der virker på molekylet, overstiger nettokraften. Med andre ord kræves arbejde for at forøge grænsefladeoverfladen.

Kraft nødvendigt for at øge grænsefladegionen. (Https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Surface_growing.png)

Jo større netto intermolekylær kraft, jo større er det arbejde, der skal udføres, og desto større er energiindgangen. Af denne grund defineres grænsefladespænding også som en funktion af arbejde eller som en funktion af energi, som nævnt nedenfor:

Grænsefladespænding er det arbejde, der kræves for at skabe et enhedsområde ved grænsefladen. Ligeledes defineres grænsefladespænding som den krævede frie energi pr. Oprettet enhedsareal.

Ligning og enheder af grænsefladespænding

Ligningen af ​​grænsefladespændingen som funktion af den netto intermolekylære kraft er:

y = F / 2l

Årsagen til, at grænsefladespændingen falder, er, at når temperaturen stiger, øges den kinetiske energi på grund af stigningen i den termiske bevægelse af molekylerne.

Måling af grænsefladespænding

Der er forskellige metoder til eksperimentel måling af grænsefladespændingen, blandt hvilke de bedst egnede kan vælges i henhold til karakteristika for faser i kontakt og de eksperimentelle betingelser.

Disse metoder inkluderer Wilhelmy-plademetoden, Du Nouy-ringmetoden, vedhængsdråbe-metoden og den roterende dråbe-metode.

Wilhelmy plade metode

Den består af at måle den nedadgående kraft, der udøves af overfladen af ​​en flydende fase på en aluminiums- eller glasplade. Nettokraften, der udøves på pladen, er lig med vægten plus trækstyrken. Vægten af ​​pladen opnås ved en torsionsfølsom mikrobalance fastgjort til pladen ved hjælp af en anordning.

Du Nouy-ringmetode

I denne metode måles kraften til at adskille overfladen af ​​en metalring fra en væskeoverflade, og sørg for, at ringen inden måling er helt nedsænket i væsken. Separationskraften er lig med grænsefladespændingen og måles ved hjælp af en høj præcisionsbalance.

Drop vedhængsmetode

Denne metode er baseret på måling af deformationen af ​​en dråbe, der hænger fra en kapillær. Dråben holdes i balance, mens den hænger, fordi trækkraften svarer til vægten af ​​dråbet.

Forlængelsen af ​​dråbet er proportional med vægten af ​​dråbet. Metoden er baseret på bestemmelse af dråbeforlængelsens længde på grund af dens vægt.

Drop vedhængsmetode

Rotationsfaldsmetode

Metoden med roterende dråber er meget nyttig til måling af meget lave grænsefladespændinger, der anvendes til emulsions- og mikroemulsionsproduktionsprocessen.

Det består af at anbringe en dråbe af en mindre tæt væske inde i et kapillarrør fyldt med en anden væske. Dråben udsættes for en centrifugalkraft på grund af en roterende bevægelse med stor hastighed, der forlænger dråbet på aksen og modsætter sig trækkraften.

Grænsefladespændingen opnås fra dimensionerne af den geometriske form af dråbet, der deformeres, og rotationshastigheden.

Referencer

1. Tadros, T F. Anvendte overfladeaktive stoffer. Berkshire, UK: Wiley-VCH Verlag Gmbh & Co, 2005.
2. van Oss, C J. Interfaciale kræfter i vandige medier. Florida, USA: Taylor & Francis Group, 2006.
3. Figur, L og Teixeira, A A. Madens fysik: Fysiske egenskaber - Måling og applikationer. Tyskland: Springer, 2007.
4. Anton de Salager, R E. Interfacial spænding. Mérida: FIRP - Universidad de los Andes, 2005.
5. Speight, J G. Håndbog om olieproduktanalyse. New Jersey, USA: Jhon Wiley & sønner, 2015.
6. Adamson, AW og Gast, A P. Fysisk kemi af overflader. USA: John Wiley & Sons, Inc., 1997.
7. Blunt, M J. Flerfase-flow i permeable medier: Et pore-skala-perspektiv. Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2017.