Folyadék-gáz, szilárd-gáz folyadék-folyadék és folyadék-szilárd határfelületek. Adszorpció és orientáció a határfelületen. Adszorpció oldatból és elegyből.
Görbült felületek, Laplace nyomás levegő p1
A folyadék felületi feszültsége miatt p2>p1 Laplace egyenlet:
p2
2 p r Következmény: görbült felület esetén mindig azon az oldalon nagyobb a nyomás amerre a felület görbül
Görbült felületek, Laplace nyomás p1
p2
4 p r Dupla felszín miatt, kétszeres hatás!
Mi történik? http://www.youtube.com/watch?v=kvrsAhuvs3M
Kapilláris jelenségek
homorú felszín rm<0
domború felszín rm>0
A meniszkusz alakja a kohéziós és adhéziós erők viszonyától függ. Ha a kohéziós (folyadékon belüli) erők nagyobbak mint az adhéziós erők (folyadék-szilárd kölcsönhatás), a felszín domború, azaz a folyadék NEM nedvesíti a felületet!
Kapilláris jelenségek A kapilláris emelkedésből (vagy süllyedésből) kiszámítható a felületi feszültség. Ilyenkor a nyomáskülönbséget a hidrosztatikai nyomás fedezi.
1 hgrkap 2
Felületi feszültség mérése Wilhelm lemez
du Nouy gyűrű
Kelvin egyenlet Mivel a görbült felület felett más nyomás alakul ki a síkfelszínhez viszonyítva, megváltozik a folyadék tenziója is!
pr Vm 2 ln p RT r Következmény: Nedvesítő folyadékok esetén (r<0), a görbült felület fölött kisebb a folyadék tenziója » forráspontja növekszik! Kapillárisokban a folyadék könnyebben kondenzálódik! (Kapilláris kondenzáció) Izoterm átkristályosodás. pr, p∞: a folyadék tenziója a görbült és a sík felszín felett (Pa), Vm:moláris térfogat (m3/mol), γ: felületi feszültség (N/m), R: gázállandó (J/Kmol), r: kapilláris sugara (m), T: hőmérséklet (K)
Nedvesedés, szétterülés, kontakt szög
Kontakt szög
Θ= Θ1+ Θ2 Tökéletes nedvesedés (szétterülés): Θ=0o Részleges: 0o < Θ < 90o Nem nedvesedik 90o < Θ <180o Egyáltalán nem nedvesedik Θ=180o
Θ
Nedvesedés, szétterülés, kontakt szög
Egyensúlyban:
2 1 cos1 12 cos 2
GS LS GL cos
Szétterül (nedvesedik) ha Θ < 90o
2 ( 1 12 ) 0
GS ( LS GL ) 0
S alsó ( határ felső ) 0
Nedvesedés, szétterülés, kontakt szög
Nedvesedés, szétterülés másként A folyadék szétterülése a kohéziós és adhéziós kölcsönhatások viszonyától függ: ha nagyobb a kohéziós erő mint az adhéziós, a folyadékcsepp egyben marad. Adhézió: γA+ γB-γAB Kohézió: 2γA S=adhézió-kohézió= γA+ γB-γAB-2γA= γB-(γA+γAB)
Orientáció a felületen
Az elrendeződés a Hardy-Harkins elvnek megfelelő: az amfifil molekulák úgy helyezkednek el, hogy a polaritás változása minél folytonosabb legyen.
Felületaktív (kapilláraktív), és felületinaktív (kapillár inaktív) anyagok A poláris és apoláris részeket is tartalmazó molekulák poláris oldószerben a felületen felhalmozódnak, így csökkentik annak felületi feszültségét.
Az ionos és erősen poláris anyagok – a jó szolvatáció miatt- az oldat belsejében halmozódnak fel, így több oldószer kerül a felületre, növelve így a felületi feszültséget 0.09
0.08 0.07
0.08
(N/m)
(N/m)
0.06 0.05
0.07
0.04 0.06
0.03 0
500
1000
1500
2000
c(mol/m3)
0
2000
4000
6000
c(mol/m3)
Felületaktivitás leírása A Gibbs-izoterma, és a Gibbs-egyenlet A Gibbs-izoterma: állandó hőmérsékleten a felületaktív anyag koncentrációja (c) és a felületi anyagtöbblet (Γ) közötti kapcsolatot írja le. Γ: Felületi anyagtöbblet (mol/m2) A: 1 molekula felületigénye: (m2/db) R: gázállandó (8.314 J/Kmol) T: hőmérséklet (K) c: koncentráció (mol/m3) B: anyagi minőségre jellemző konstans
Felületaktivitás leírása A Gibbs-izoterma, és a Gibbs-egyenlet A Gibbs-egyenlet: Leírja a felületi többletkoncentráció (Γ), a koncentráció (c), és a felületi feszültség(γ) kapcsolatát
Γ: Felületi anyagtöbblet (mol/m2) γ : felületi feszültség (N/m) R: gázállandó (8.314 J/Kmol) T: hőmérséklet (K) c: koncentráció (mol/m3)
A felületi réteg fizikai állapota A kétdimenziós monoréteg különböző fizikai állapotokban létezhet hasonlóan a háromdimenzióshoz - Gáz vagy gőz amelyben a molekulák távol és függetlenül mozognak egymástól. Nagy összenyomhatóság jellemzi - Folyadék filmek, kis kompresszibilitás. - A kondenzált és szilárd fázisokban a molekulák szorosan illeszkednek és a felület feléirányítódnak.
Filmek, rétegek kialakítása Langmuir-Blodgett
Filmek, rétegek kialakítása Langmuir-Blodgett
Az adszorpció Definíció: Egy vagy több komponens feldúsulása (pozitív adszorpció), vagy elszegényedése (negatív adszorpció) a felületi rétegben. A megkötődés természete alapján fiziszorpcióról, vagy kemiszorpcióról.
beszélünk
Fiziszorpció
Kemiszorpció
kötőerők
van der Waals
kémiai kötés
erősség
kis szorpciós entalpia
nagy szorpciós entalpia
hatótávolság
nagy
kicsi
rétegek száma
többrétegű
egyrétegű
specifitás
-
+
adszorptívum
nem változik
változik
molekulaszerkezete
Szorpciós izotermák Az adszorpció mennyiségi viszonyai Az adszorbeálódó komponens nyomása vagy koncentrációja függvényében ábrázoljuk a felületi anyagtöbbletet (Γ) vagy a borítottságot (θ).
Langmuir izoterma (I. típus) Gázok fiziszorpciója
Tulajdonságok: - az adszorptívum egyrétegben kötődik - a kötőhelyek egymástó függetlenek, és azonos kötődést biztosítanak - Az adszorpció és deszorpció dinamikus egyensúlyt mutat
a bp a m 1 bp
θ: borítottság, a: adszorbeált anyagmennyiség (mol/g), am:monoréteg kapacitása (mol/g), b: szorpciós konstans, p: nyomás (Pa)
B.E.T izoterma (II., III típus) Brunauer, Emmett, Teller Gázok fiziszorpciója
Tulajdonságok: - az adszorptívum többrétegben kötődik - Minden rétegre érvényes a Langmuir egyenlet - Az adszorpció és deszorpció dinamikus egyensúlyt mutat
a Zp a m ( p0 p )1 ( Z 1) p / p0 θ: borítottság, a: adszorbeált anyagmennyiség (mol/g), am:monoréteg kapacitása (mol/g), Z: szorpciós hőtől függő konstans, p: nyomás (Pa)
Kapilláris kondenzáció (IV., V. típus) Pórusos anyagokon gőzök adszorpciója
Tulajdonságok: - az adszorbens pórusos szerkezetű - Az adszorptívum folyadék halmazállapotban nedvesíti a felületet (rm<0) - A pórusokban folyadék jelenik meg
