- Definitie
- Definitie op basis van werk en energie
- Vergelijking en eenheden van grensvlakspanning
- Meting van grensvlakspanning
- Wilhelmy-plaatmethode
- Du Nouy-ringmethode
- Drop hanger methode
- Roterende druppelmethode
- Referenties
De grensvlakspanning (γ) is de netto kracht per lengte-eenheid die wordt uitgeoefend op het contactoppervlak tussen een fase (vast of vloeibaar) en een andere (vast, vloeibaar of gasvormig). De netto kracht staat verticaal op het contactoppervlak en is gericht naar het binnenste van de fasen.
Wanneer een van de fasen een gas is, wordt dit gewoonlijk oppervlaktespanning genoemd. De fasen in contact zijn niet mengbaar, dat wil zeggen dat ze niet samen kunnen oplossen om een oplossing te vormen. Het contactgebied tussen de fasen is een geometrisch scheidingsoppervlak dat de interface wordt genoemd. Grensvlakspanning is te wijten aan intermoleculaire krachten die aanwezig zijn op het grensvlak.
Krachten tussen moleculen van een vloeistof in contact met lucht
Grensvlakspanning speelt een belangrijke rol bij veel grensvlakverschijnselen en -processen zoals emulsieproductie en olieproductie.
Definitie
De eigenschappen van het grensvlak zijn niet hetzelfde als de eigenschappen binnen de fasen die in contact staan, omdat er verschillende moleculaire interacties tot uiting komen omdat er in dat gebied moleculen zijn die tot zowel de ene fase als de andere behoren.
Moleculen in een fase staan in wisselwerking met naburige moleculen, die vergelijkbare eigenschappen hebben. Bijgevolg is de netto inwendige kracht nul omdat de aantrekkelijke en afstotende interacties in alle mogelijke richtingen hetzelfde zijn.
De moleculen die zich op het oppervlak tussen de twee fasen bevinden, zijn omgeven door moleculen uit dezelfde fase maar ook door naburige moleculen uit de andere fase.
In dit geval is de nettokracht niet nul en wordt deze gericht naar het binnenste van de fase waarin er meer interactie is. Het resultaat is dat de energietoestand van de moleculen op het oppervlak groter is dan de energietoestand binnen de fase.
De netto kracht die naar binnen werkt per lengte-eenheid langs het grensvlak is de grensvlakspanning. Vanwege deze kracht hebben moleculen spontaan de neiging om energie te minimaliseren, waardoor het oppervlak voor elke volume-eenheid wordt geminimaliseerd.
Definitie op basis van werk en energie
Om een molecuul van binnenuit naar de oppervlakte te trekken, is het nodig dat de krachten die op het molecuul inwerken groter zijn dan de netto kracht. Met andere woorden, er is werk nodig om het grensvlak te vergroten.
Forceer nodig om het grensvlakgebied te vergroten. (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Surface_growing.png)
Hoe groter de netto intermoleculaire kracht, hoe groter het werk dat moet worden gedaan en hoe groter de energie-input. Om deze reden wordt grensvlakspanning ook gedefinieerd als een functie van werk of als een functie van energie, zoals hieronder vermeld:
Grensvlakspanning is het werk dat nodig is om een eenheidsgebied op het grensvlak te creëren. Evenzo wordt grensvlakspanning gedefinieerd als de vrije energie die nodig is per gecreëerde oppervlakte-eenheid.
Vergelijking en eenheden van grensvlakspanning
De vergelijking van de grensvlakspanning als functie van de netto intermoleculaire kracht is:
γ = F / 2l
De reden waarom de grensvlakspanning afneemt, is dat naarmate de temperatuur stijgt, de kinetische energie toeneemt als gevolg van de toename van de thermische beweging van de moleculen.
Meting van grensvlakspanning
Er zijn verschillende methoden voor experimentele meting van de grensvlakspanning, waarvan de meest geschikte kan worden gekozen op basis van de karakteristieke eigenschappen van de fasen in contact en de experimentele omstandigheden.
Deze methoden omvatten de Wilhelmy-plaatmethode, de Du Nouy-ringmethode, de hangende druppelmethode en de roterende druppelmethode.
Wilhelmy-plaatmethode
Het bestaat uit het meten van de neerwaartse kracht die wordt uitgeoefend door het oppervlak van een vloeistoffase op een aluminium- of glasplaat. De netto kracht die op de plaat wordt uitgeoefend is gelijk aan het gewicht plus de trekkracht. Het gewicht van de plaat wordt verkregen door een torsiegevoelige microbalans die door een apparaat aan de plaat is bevestigd.
Du Nouy-ringmethode
Bij deze methode wordt de kracht gemeten om het oppervlak van een metalen ring van een vloeistofoppervlak te scheiden, waarbij ervoor wordt gezorgd dat de ring vóór het meten volledig in de vloeistof is ondergedompeld. De scheidingskracht is gelijk aan de grensvlakspanning en wordt gemeten met een zeer nauwkeurige balans.
Drop hanger methode
Deze methode is gebaseerd op het meten van de vervorming van een druppel die aan een capillair hangt. De druppel wordt hangend in balans gehouden doordat de trekkracht gelijk is aan het gewicht van de druppel.
De verlenging van de druppel is evenredig met het gewicht van de druppel. De methode is gebaseerd op het bepalen van de reklengte van de druppel vanwege zijn gewicht.
Drop hanger methode
Roterende druppelmethode
De roterende druppelmethode is erg handig voor het meten van zeer lage grensvlakspanningen die worden toegepast op het productieproces van emulsies en micro-emulsies.
Het bestaat uit het plaatsen van een druppel van een minder dichte vloeistof in een capillair buisje gevuld met een andere vloeistof. De druppel wordt door een roterende beweging met grote snelheid onderworpen aan een middelpuntvliedende kracht, die de val op de as verlengt en de trekkracht tegenwerkt.
De grensvlakspanning wordt verkregen uit de afmetingen van de geometrische vorm van de vervormde druppel en de rotatiesnelheid.
Referenties
- Tadros, T F. Applied Surfactants. Berkshire, VK: Wiley-VCH Verlag Gmbh & Co, 2005.
- van Oss, C J. grensvlakkrachten in waterige media. Florida, VS: Taylor & Francis Group, 2006.
- Figuur, L en Teixeira, A A. Voedingsfysica: fysische eigenschappen - Meting en toepassingen. Duitsland: Springer, 2007.
- Anton de Salager, R E. grensvlakspanning. Mérida: FIRP - Universidad de los Andes, 2005.
- Speight, J G. Handbook of Petroleum Product Analysis. New Jersey, VS: Jhon Wiley & zonen, 2015.
- Adamson, AW en Gast, A P. Physical Chemistry of Surfaces. VS: John Wiley & Sons, Inc., 1997.
- Blunt, M J. Meerfasige stroming in permeabele media: een perspectief op poriënschaal. Cambridge, VK: Cambridge University Press, 2017.