4 A. FELÜLETI FESZÜLTSÉG MÉRÉSE BUBORÉKNYOMÁSOS MÓDSZERREL

4 A. FELÜLETI FESZÜLTSÉG MÉRÉSE BUBORÉKNYOMÁSOS MÓDSZERREL Az összefüggő anyagi rendszerek (az ún. tömbfázisok, vagy angol elnevezéssel "bulk" fázisok) közötti határfelületi rétegek alkotórészei más energetikai állapotban vannak, mint a tömbfázisok belsejében lévők. Ennek oka az, hogy a tömbfázis felületén (két kondenzált tömbfázis esetén a határfelületen) a kémiai és fizikai tulajdonságokat meghatározó mikrorészecskék (atomok, egyszerű és komplex ionok, molekulák vagy ezekből felépülő kisebb aggregátumok) a más kölcsönös energetikai lekötöttség miatt nagyobb energiájú állapotban vannak, mint a tömbfázis belsejében elhelyezkedő azonos kémiai és fizikai felépítésű, egymáshoz képest energetikailag kiegyensúlyozott(abb) társaik. Ebben a felületben uralkodó feszültséget határfelületi feszültségnek () nevezzük. A határfelületi feszültség édefiníciói:  a felületben, annak egységnyi hosszúságú vonalában ható erő (N/m), vagy  egységnyi nagyságú felület izoterm-izochor

reverzibilis úton való létrehozásához

szükséges munka (J/m2) (felületi munka). A felületi feszültség tiszta - egykomponensű - fázisoknál az anyagi minőség, a hőmérséklet és kisebb mértékben a nyomás függvénye. Ha a tömbfázisok elegyek, oldatok, akkor a felületi feszültség a komponensek összetételétől is számottevően függ, mégpedig annál nagyobb mértékben, minél felületaktívabb az oldott komponens, az ún. tenzid, a felületaktív anyag. A tenzidek, vagy felületaktív anyagok csökkentik a folyadék határfelületi feszültségét, amit az okoz, hogy ezek mindig amfipatikus jellegű vegyületek, melyek hosszabb szénláncú liofób (vízre vonatkoztatva hidrofób) csoportot és liofil (vízre vonatkoztatva hidrofil) atomot, vagy rövid atomcsoportot tartalmaznak.

hidrofób csoport

hidrofil csoport

1. ábra Felületaktív anyag molekulái és koordinációi a határfelületen

1

Az ilyen molekulák a felületen liofil (hidrofil) részükkel az egyik fázisba (folyadék-gőz rendszerben általában a folyadékba, víz - szerves folyadék rendszerben a hidrofilebb, azaz a vizes fázisba) merülve irányítottan rendeződve helyezkednek el 1. ábra alsó része), így a felületen fajlagosan több lehet belőlük, mint a tömbfázis belsejében. Ezek tehát a felületen feldúsulnak, pozitív adszorpciójuk következik be. Az adszorpció az a jelenség, ami akkor áll elő, amikor a szóban forgó komponens koncentrációja a határfelületi rétegben más, mint az őket létrehozó tömbfázisokban. Felületaktív molekulákat tartalmazó oldatok esetén még inkább különbözik a felületi réteg szerkezete az oldatbelitől, mint a tiszta folyadékok esetében, ami - mint már említettük a határrétegben végbemenő adszorpció következménye. Az adszorpció folyamatában a határfelületi réteg összetétele megváltozik. Adott hőmérsékleten és nyomáson magára hagyva a rendszert beáll az adszorpciós egyensúly, ami szigorúan dinamikus jellegű lévén - azt jelenti, hogy ekkor a határfelületi rétegből időegység alatt ugyanannyi anyagmennyiség távozik a tömbfázisba, mint amennyi odakerül. Folyadék halmazállapotú rendszerek felületi (határfelületi) feszültségének mérésére többféle módszer is kínálkozik, pl.:  a kapilláris emelkedés módszere,  a buboréknyomásos módszer,  a sztalagmométeres módszer,  a leszakítási módszer és  a nyugvó csepp módszer. 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 (2. a. ábra). A ρ sűrűségű folyadékoszlop hidrosztatikai nyomása egyensúlyt tart az R görbületi sugárral jellemezhető meniszkusz (a kapillárisban lévő folyadék felszínének alakja) két oldala (folyadék- és a gőzfázis) közötti nyomáskülönbséggel, vagyis

  g  h  p 

2 cos Θ . r

(2.1)

 a kapilláris és a folyadék közötti nedvesítési peremszög. A felületi feszültség (2.1)-ből kifejezve:

  

rg h . 2 cosΘ

2

(2.2)

2r r h h r 2R b.)

a.)

c.)

d.)

2. ábra: Felületi feszültség mérési módszerek 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 2.d. ábra). Ez a nyomás a p kapilláris nyomás. Ha a buborék r 2 sugarát dr-rel megnöveljük, a buborék térfogata 4r dr-rel, felülete pedig 8rdr -rel nő meg. A közben végzett térfogati munkának egyenlőnek kell lennie a felületi feszültség munkájával:







(2.4)

amiből a felületi feszültség:

A mérésre a 3. ábrán látható készüléket használjuk. Ez egy 1,5 - 2 dm3-es, alul csappal ellátott és vízzel töltött edény (1), amelynek egyik oldalához milliméterskálás manométer (2), a másik oldalához mérőkapillárist (melyen körkörös jel látható) tartó, gumidugóval ellátott mérőedény (3) csatlakozik. A mérés során az edény alján lévő alsó csapon keresztül a vizet lassan kifolyatjuk. Ennek hatására csökken az edény belsejében a nyomás, és így a (4) kapilláris két vége között nyomáskülönbség áll elő. Ahhoz azonban, hogy az r sugarú kapillárison keresztül levegőbuborék jusson a készülékbe, le kell győzni a kapilláris végén képződő r sugarú buborék kapilláris nyomását és a kapilláris bemerülési mélységének megfelelő hidrosztatikai nyomást. Ez egyúttal a maximális nyomáskülönbség is. Lassan folyatva ki a vizet a (2) manométeren leolvasott nívókülönbség buborékolás közben mindig ugyanazon kis intervallumban változik, így a maximális nyomáskülönbség mérhető. 3

vizsgált oldat

3. ábra. Buborék-nyomásos felületi feszültség-mérő berendezés Izibutil-alkohol, víz elegy felületi feszültségének mérése buboréknyomásos módszerrel A mérési feladat: 1. Határozza meg a mérőkapilláris sugarát! 2. Mérje meg a különböző koncentrációjú izobutil-alkohol - víz elegy felületi feszültségét! 3. Állapítsa meg egy ismeretlen elegy izobutil-alkohol koncentrációját! A gyakorlat kivitelezése: A mérőedénybe először desztillált vizet töltünk a kapilláris sugarának meghatározására. A vízbe belemerítjük a kapillárist úgy, hogy a dugó mellett levegő ne szivároghasson be és a víz szintje a körkörös jelig érjen. Ezután megkezdjük a víz kifolyatását egyenletes lassú áramban úgy, hogy a kapillárison át lehetőség szerint egyenletes buborékolás alakuljon ki. A manométer maximális szintkülönbségét feljegyezzük. A kísérletet elvégezzük egyre növekvő koncentrációjú izobutil-viz elegyekkel is. Minden újabb oldat betöltése előtt

a mérendő oldattal átöblítjük a mérőedényt, végül

megmérjük az ismeretlen koncentrációjú oldat felületi feszültségét. A mérés végén megmérjük a hv kapilláris bemerülési mélységét a kapilláris körjelétől a kapilláris végéig. (Ügyelni kell arra, hogy a kapilláris tiszta maradjon, mert a rárakodó szennyeződés meghamisítja a mérést.) A kapott mérési adatokból kiszámítjuk az oldatok felületi feszültségét, és milliméterpapíron ábrázoljuk az oldatösszetétel függvényében, majd az ismeretlen oldatunk koncentrációját

leolvassuk

a

megrajzolt 4

kalibrációs

görbénkről.

Név: ....................................... Tcs: ......... Dátum: ..................................................... IZOBUTIL-ALKOHOL - VÍZ ELEGYEK FELÜLETI FESZÜLTSÉGÉNEK MÉRÉSE BUBORÉKNYOMÁSOS MÓDSZERREL Észlelési- és eredménylap 1. KISÉRLETI ADATOK A felületaktív anyag: ............................................................. A kisérlet hőmérséklete: t = .................................................. oC A kapilláris bemerülési mélysége: hv = ................................. m Koncentráció g.dm-3

hm m

Felületi feszültség , N.m-1

Desztillált víz 1,25 2,5 5,0 10,0 Ismeretlen: 2. SZÁMÍTOTT ADATOK A desztillált víz felületi feszültsége:

v = 0,0729 - 1,55.10-4[t (oC) -18] = ............................................ N.m-1 A kapilláris sugara: 2 v r  h m ,víz  h v   g  v A különböző koncentrációjú oldatok felületi feszültsége az alábbi összefüggéssel számítható:

 v  0,5  r  h m,old  h v  g old

Melléklet:

 = f(c)diagram

5