Főmenü megnyitása

Módosítások

a
kisebb formai javítások
 
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.
 
__TOC__
 
== A felületi feszültség magyarázata ==
[[Fájl:Feluletireteg.jpg|200px|thumb|balra|Folyadék felületi rétege vázlatosan]]
 
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 [[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]].
 
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 ==
[[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.)
<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>
| width="100" align="center" bgcolor="E0E0E0"| [[Anyag]]
| 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"| [[Anyag]]
| 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 >
|-
|align="center"| [[Aceton]] ||align="center"| 20 || align="center"|23,7||align="center"| [[Metanol|Metil-alkohol]] ||align="center"| 20|| align="center"|22,50
|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"| [[Etanol|Etil-alkohol]] ||align="center"| 20|| align="center"|22,39||align="center"| [[Víz]] ||align="center"| 25|| align="center"|71,99
[[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.
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]]
 
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'''):
 
[[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]]
 
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 (''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>
 
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>
[[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:
 
:<math>\gamma V_\mathrm m^{2/3} = k(T_\mathrm c -T) \ , </math>
 
ahol
:''V''<sub>m</sub> a folyadék moláris térfogata, m<sup>3</sup>/mol,
:''γ'' a folyadék felületi feszültsége, N/m
:''T''<sub>c</sub> 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<sup> -7</sup> J/(K mol<sup>2/3</sup>).
 
A legtöbb folyadék esetében a felületi feszültség már 6&nbsp;°C-kal a [[van der Waals-egyenlet|kritikus hőmérséklet]] alatt gyakorlatilag nulla, ezért az Eötvös-szabály alábbi alakja pontosabb eredményt ad:
:<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.
 
=== Néhány anyag Eötvös-féle állandója ===
 
{| 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>
|-
| width="150" align="center" bgcolor="E0E0E0"| Anyag
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.
 
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.
[[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 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 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'' [[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>
 
Az egyenletben:
 
:''γ'' a felületi feszültség, N·m<sup>−1</sup>
 
:<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:
 
:<math> \gamma_\mathrm o = \gamma_\mathrm v \frac{n\rho_\mathrm o
}{n_\mathrm o} \ .</math>
 
Az összefüggésekben:
 
:''n''<sub>o</sub> a vizsgált [[oldat]] cseppszáma,
:''n''<sub>v</sub> a [[víz]] cseppszáma,
:''r'' a sztalagmométer korongjának a sugara, m
:''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>
:''ρ''<sub>v</sub> a [[víz]] [[sűrűség]]e, kg·m<sup>−3</sup>
:''g'' a nehézségi gyorsulás, 9,81 m·s<sup>−2</sup>
: ''k'' a sztalagmométer állandója
: ''V'' a sztalagmométer térfogata, m<sup>3</sup>
 
A sztalagmométer állandóját desztillált [[víz]] felületi feszültségének ismeretében, vízzel végzett kísérlet alapján kell meghatározni.
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>
 
a két összefüggésből pedig
amely összefüggésekben
 
: ''R'' a Pt-Rh-gyűrű sugara, m
:''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>
 
[[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:
 
{{commons|Surface tension}}
{{commonscat|Water_droplets|Vízcseppek}}
* [[Szappanbuborék]]
* [[Lótusz-effektus]]
* [[Intenzív mennyiség]]
131 512

szerkesztés