UNIVERZITET U NIU Fakultet zatite na raduPredmet: Hemijski
parametri
SEMINARSKI RADTema: Povrinski napon
Mentor:
Studenti:
Ni, 2009.UVOD 1. FLUIDI 1.1 Sile koje deluju na fluid 2.
POVRINSKI NAPON 2.1 Povrinski napon na granici tenosti-tenost 2.2
Povrinski napon rastvora 2.3 Kohezija 2.4 Dodirni uglovi2.4.1
Posebni dodirni uglov
2 3 4 6 8 9 14 14 17 18 18 20 21 22
3. SURFAKTANTI 3.1 Struktura i djelovanje surfaktanata 4.
WEBEROV BROJ ZAKLJUAK LITERATURA
2
UVOD
Tenost, ili tena tela prestavljaju jedno od etiri agregatna
stanja1. Ona se bitno razlikuje od, po osobinama, vrstih tela sa
jedne, i gasova sa druge strane. Ovo pravilo vai zbog
medjumolekulskih sila koje su jae nego kod bilo kog vrstog tela i
slabije od bilo kog gasa, u odnosu na isti kod tenosti. Is toga
proizilaze i neke osnovne osobine tenosti, kao to su, nepostojnost
stalnog oblika, translatorno kretanje molekula tenosti od sudara do
sudara, njena nestiljivost i nepostojanje unutranjeg trenja.
Takodje vano je napomenuti da te osobine stvaraju razliite
posledice, primer posledica koje nastaju dejstvom medjumolekulskih
sila, je sigurno pojava povrinskog napona.
1
vrsto, teno, gasovito, plazma. Danas se plazma ne moe zaobii kao
etvrto stanje zbog svojih karakteristika.
3
1. FLUIDI
Fluid prestavalja stanje materije u kome ona moe da tee i menja
oblik i zapreminu pod dejstvom veoma slabih sila. Takodje on
prestavlja i neprekidnu sredinu, kontinijum. Hipotezu o
neprekidnosti fluidne sredine postavio je Dalamber 1744. godine. I
fluid se u Hidraulici posmatra kao neprekidna sredina koja
ispunjava prostor bez ikakvih upljina, tj. kao kontinuum.
Zanemaruje se molekularni sastav materije i smatra da se tenosti i
gasovi sastoje iz delia koji sadre vrlo veliki broj molekula. Pod
deliem se podrazumeva elementarna koliina tenosti ili gasa iji
oblik ne igra ulogu ni pri mirovanju ni pri kretanju. Zato deli moe
da se zamisli kao sasvim mala kocka, lopta, valjak, tetraedar ili
bilo koje drugo geometrijsko telo. Deli je potpuno ispunjen
materijom i ima uvek istu masu. Masa dm delia fluida ne menja se za
vreme kretanja ili mirovanja ali se oblik i zapremina delia mogu
menjati u toku vremena. U prostoru koji fluid zauzima raspored
delia fluida je takav da se ne javljaju praznine. Dimenzije delia
ne smeju se poistovetiti sa molekulom. Pretpostavka o neprekidnom
ispunjavanju prostora omoguava primenu diferencijalnog i
integralnog rauna u Hidraulici, ime su matematiki obuhvaeni i reeni
mnogi problemi. Delii tenosti su veoma pokretljivi. Pokretljivost
delia gasova je jo vea. Zbog ove pokretljivosti na tenost ne mogu
da deluju koncentrisane sile ve samo sile neprekidno rasporeene po
itavoj masi ili povrini tenosti.
4
1.1 Sile koje deluju na fluid
Posmatra se zapremina V fluida ispunjena masom m. Ako fluid
miruje, na ovu masu deluje Zemljina tea i pritisne sile okolnog
fluida. Ako se fluid kree, deluju jo i sile inercije i sile trenja.
Sila Zemljine tee (zapreminska sila) deluje na svaki deli fluida u
posmatranoj zapremini, a time i na ukupnu masu m. Zapreminske sile
su posledica polja sila u kome se fluid nalazi, pa se nazivaju jo
spoljanjim ili silama polja. Zapreminske sile se raunaju u odnosu
na jedinicu mase fluida. Ako je sila f koja deluje na jedinicu
mase, onda na elementarnu masu dm delia fluida deluje zapreminska
sila. f dm, f{X,Y, Z} Zapremina V fluida podelie se na delove 1 i
2. Uticaj dela 2 na deo 1 moe da se zameni malom silom R koja
deluje na proizvoljno izabranu povrinicu A Na svaki drugi deo A
povri A delovae neka sila R pri emu ove sile nisu meusobno jednake.
Povrinska sila moe se razloiti na komponentu N normalnu na
povrinicu i na komponentu T koja lei u ravni povrinice.
normalni
tangentni
Kod fluida od normalnih napona moe da postoji samo pritisak p
(napon na istezanje bi vrlo lako razdvojio delie fluida).
5
Pritisak se u proizvoljnoj taki M fluida definie kao
Intenzitet elementarne sile pritiska dp iznosi:
dP = p dA Elementarna sila pritiska:
dP = p dA. Natpritisak ili manometarski pritisak:
pm = p pa Potpritisak ili vakuumski pritisak:
pv = pa- p
6
2. POVRINSKI NAPON
Molekul u unutranjosti tenosti (vidi sliku) okruen je sa svih
strana istim takvim molekulima tako da je rezultujua sila
meumolekulskog privlaenja nula. Molekul na povrini tenosti okruen
je s jedne strane istim takvim molekulima tenosti, a s druge strane
molekulima gasa (vazduha). Poto se u jedinici zapremine gasne faze
nalazi znatno manji broj molekula nego u istoj zapremini tene faze,
meumolekulska privlaenja nee biti uravnoteena, ve e postojati
rezultujua sila usmerena ka unutranjosti tenosti. Ovo nesimetrino
polje sila oko molekula na povrini dovodi do pojave povrinskog
napona, , koji predstavlja silu koja deluje tangencijalno na
povrinu tenosti, [N/m]. Povrinski napon se javlja kao posledica
postojanja kohezionog (unutranjeg) pritiska, tj. sile koja povlai
molekule ka unutranjosti tenosti i iji je pravac normalan na
povrinu tenosti. Zahvaljujui tome tenost tei da smanji povrinu na
minimalnu pri datim uslovima. Zato tenost u odsustvu spoljnih sila
tei da zauzme oblik lopte (kapi tenosti), jer je povrina lopte
najmanja povrina za datu zapreminu, pa e povrinska energija sistema
pri tome biti minimalna. Da bi se poveala povrina tenosti neophodno
je da se utroi rad da se molekuli iz unutranjosti tenosti dovedu na
povrinu. Rad se troi na savladavanje meumolekulskih sila pri
prelaenju molekula iz unutranjosti tenosti na povrinu. Rad izvren
za stvaranje jedinice povrine, pri povratnom izotermskom procesu,
pre-dstavlja povrinsku slobodnu energiju. Povrinska slobodna
energija u J/m2 brojno je jednaka povrinskom naponu u N/m u sluaju
jednokomponentnih tenosti.
7
Povrinski napon tenosti zavisi od intenziteta meumolekulskih
sila privlaenja unutar tenosti. Tako je povrinski napon tenosti,
iji molekuli ne poseduju dipole relativno mali i iznosi oko 30103
N/m. Voda iji molekuli predstavljaju izrazite dipole ima relativno
veliki povrinski napon koji na 20C iznosi 72,75103 N/m (tabela
1).
Tenostiva Voda Glicerin Benzol Hloroform Etilalkohol Heksan
t [C] 103 [N/m] enost T20 20 20 20 20 20 20 485 72.75 66 28,86
27,1 21,6 18,5 Zlato Olovo NaCl Kiseonik Vodonik Helijum
t [C]l200 900 811 -198 -252 -270
(tabela 1) Sa porastom temperature povrinski napon tenosti opada
(tabela 2) sve do temperature bliske kritinoj. Na kritinoj
temperaturi nestaju razlike izmeu gasne i tene faze i povrinski
napon postaje jednak nuli. Smanjenje povrinskog napona sa porastom
temperature se odigrava zato to na viim temperaturama dolazi do
poveanja intenziteta toplotnog kretanja molekula, to deluje na
smanjenje sila privlaenja izmeu njih, pa prema tome i do snienja
povrinskog napona.t [C] H2O CCl4 C6H6 C6H5NO2C2H5OH CH3COOH
0 25 50 75
75,64 71,97 67,91 63,35
29 26,1 23,1 20.20
31,6 28,2 25 21,9
46.40 43,2 40,2 37,3
24 21,8 19.80 /
29.50 27,1 24,6 22
(tabela 2)
8
2.1 Povrinski napon na granici tenosti-tenost
Za tenosti koje se ne meaju i koje se ogranieno rastvaraju jedna
u drugoj vai pravilo Antonova- povrinski napon na graninoj povrini
izmedju tenosti A i B je priblino jednak razlici povrinskih napona,
uzajamno zasienih tenosti jedne s drugom (AZ, BZ), na granici s
vazduhom: (tabela 1) nemeljive tenosti : voda-benzol (C6H6),
voda-ugljentetrahlorid (CCl4), voda bromoform (CHBr3),
voda-hloroform (CHCl3), Prisustvo jedne tenosti iznad sloja druge
dovodi do snienja povrinskog napona, poto se smanjuje
nekompenzovanost sila na graninoj povrini dveju tenosti koje su u
kontaktu, to je vee privlaenje izmeu molekula dva razliita sloja
tenosti na graninoj povrini to e meupovrinski napon biti manji
(snienje povrinskog napona na graninoj povrini tenost-tenost je
utoliko vee to je manja razlika u polarnosti dveju tenosti koje se
ne meaju; tenosti bliske po polarnosti meaju se jedna s drugom u
svim odnosima i zato je meupovrinski napon za njih jednak
nuli).
U tabeli (3) dati su povrinski naponi na graninoj povrini dva
sloja tenosti koje su uzajamno zasiene jedna s drugom, pri emu je
jedna od tenosti voda a druga organska tenost i povrinski naponi
tenosti zasienih jedna s drugom na granici s vazduhom. Vidi se da
postoji odli-no slaganje izmeu izraunatih vrednosti povrinskog
napona na granici organska tenost-voda po pravilu Antonova I
eksperimentalno odreenih vrednosti.
9
Tenost-vazduh Tenost t [C] vodeni sloj63,2 46,4 59,8 70,2 26,3
37,8
Tenost-voda eksperi organsk izrauna mentaln a tavredno a tenost
st vrednost28,8 42,2 26,4 26,7 21,5 34,3 34,4 4,2 33,4 43,5 4,8 3,5
34,4 4,8 33,8 43,8 4,8 3,9
Benzol Anilin Hloroform CCl4 Amil alkohol Krezol
19 26 18 17 18 18
(tabela 3)
Meupovrinski napon opada sa porastom temperature i pribliava se
nuli kada se temperatura pribliava kritinoj temperaturi
rastvorljivosti. Na nekoj temperaturi na kojoj dolazi do potpunog
meanja dve posmatrane tenosti nestaju dve faze pa se moe rei da je
u takvim uslovima meupovrinski napon jednak nuli. Povrinski napon
vrstih tela, kako na granici sa gasnom tako i sa tenom fazom ne moe
se direktno meriti. Za njegovo odreivanje koriste se indirektne
metode.
2.2 Povrinski napon rastvora
1. Materije koje nemaju uticaja na povrinski napon rastvaraa -
Takve materije imaju povrinski napon blizak povrinskom naponu
rastvaraa(u odnosu na vodu takva materija je npr. saharin). 2.
Povrinski neaktivne materije imaju povrinski napon vei od
povrinskog napona rastvaraa, relativno veliku rastvorljivost, u
odnosu na vodu povrinski neaktivne materije su elektroliti (
kiseline, baze i soli). 10
3. Povrinski aktivne materije (PAM) adsorbuju se na graninoj
povrini tenost-gas
Adsorpcija PAM na graninoj povrini voda-vazduh2
-
slabo rastvorljive u vodi mali povrinski napon Povrinski aktivne
materije ve pri malim koncentracijama dovode do znatnog snienja
povrinskog napona vode Tako, ve pri koncentraci-jama povrinski
aktivnih materija od 0,4% i manjim, povrinski napon vode se sniava
od 72,75103 N/m do 40103 - 20103 N/m na 20C. Npr. 0,1% vodeni
rastvor Na-oleata ima povrinski napon 27,2103 N/m na 20C
-
U odnosu na vodu povrinski aktivnim materijama smatraju se mnoge
organske materije i to: masne kiseline, soli masnih kiselina
(sapuni), sulfo kiseline i njihove soli (sulfonati), alkoholi,
amini itd. Za molekule ovih supstanci karakteristina su dva dela:
polarna grupa (COOH, COONa, SO3H, SO3Na, OH, NH2 itd.) i apolarni
ugljovodonini radikal. Polarna grupa je hidrofilni deo molekula
poto raspolae znatnim dipolnim
2
Adsorpcija je proces poveanja koncentracije neke komponente na
graninoj povrini dve faze. Pri tome supstanca koja se adsorbuje
naziva se adsorbat, a materija koja adsorbuje naziva se adsorbens
ili adsorbent
11
momentom i lako hidratie, pa uslovljava afinitet povrnski
aktivne materije prema vodi Povrinski aktivne materije (PAM) prema
tipu polarne (hidrofilne) grupe mogu biti: 1. anjonske, raspolau na
kraju ugljovodoninog lanca nekom od anjonskih grupa kao o su: COOH,
COONa, OSO3H, OSO3Na, SO3Na itd. Anjonski PAM su npr.: K-laurat
(CH3(CH2)10 COO K+), Nadodecilsulfat (CH3(CH2)11 SO4 Na+),
Na-dodecilsulfonat (CH3 (CH2)11SO3 Na+). 2. katjonske, su
heksadecil-trimetilamonijum bromid (CH3(CH2)15 N+ (CH3)3 Br),
dodecilamin hidrohlorid (CH3 (CH2)11 N+ H3Cl) i dr. 3. nejonske,
najee imaju u svom sastavu hidroksilnu (OH) grupu ili
polioksietilenski lanac [(CH2CH2O)n)] koji predstavljaju
hidrofilni, polarni deo molekula. Supstance koje se u svojstvu PAM
koriste za regulisanje povrinskog napona na granici vodeni
rastvorvazduh i stvaranje pene (tzv. pe-nuai) u procesima
flotacijske koncentracije razliitih ruda pripadaju ba grupi
nejonskih PAM 4. amfolitike, se mogu, zavisno od pH da se u vodenom
rastvoru ponaa kao anjonska, katjonska ili nejonska PAM Molekuli
povrinski aktivne supstance se orijentiu pri adsorbovanju na
povrini tako da im se hidrofobni deo, tj. ugljovodonini lanac
orijentie prema vazduhu, a polarna hidrofilna grupa prema vodi, to
se da videti na donjoj slici.
3
3
Zavisnost povrinskog napona () u N/m od koncentracije (c)
12
4. Metode odreivanja povrinskog napona tenosti metoda
stalagmometra, odreivanje povrinskog napona preko odreivanja mase
kapi Masa kapi tenosti koja istie iz kapilare je proporcionalna
povrinskom naponu tenosti. Da bi se kap, koja se formira na kraju
kapilare, otkinula potrebno je da se savlada povrinski napon.
Ukoliko je povrinski napon vei potrebna je vea masa kapi da bi se
savladao povrinski napon i utoliko e manji broj kapi da se formira
iz iste zapremine tenosti. Dakle, masa kapi upravo je
proporcionalna, a broj kapi iz odreene zapremine tenosti obrnuto
proporcionalan povrinskom naponu. Metodom stalagmometra povrinski
napon se odreuje poreenjem broja kapi koji istee iz zapremine V
(zapremina proirenja A) ispitivane tenosti sa brojem kapi iste
zapremine tenosti-etalona (najee destilovana voda), iji je
povrinski napon poznat. Poto je Vd jednako masi ukupne zapremine
tenosti, gde je d gustina tenosti, to e masa jedne kapi da bude
jednaka Vd/n, gde je n broj kapi iz zapremine V. Kako je masa kapi
srazmerna povrinskom naponu sledi :
Isti izraz se moe napisati i za destilovanu vodu, koja u ovom
sluaju slui kao etalon:
pri emu je k - konstanta koja zavisi od dimenzija i konstrukcije
stalagmometra. Deljenjem prve jednaine sa drugom jednainom dobija
se konaan izraz za odreivanje povrinskog napona tenosti: 13
-
Metoda odreivanja povrinskog napona torzionom vagom ili
tenziometrom po Di Noju (Du Noy), zasniva na odreivanju sile
potrebne da se platinski prsten odvoji od povrine tenosti nasuprot
delovanju povrinskog napona
Torziona vaga
Povrinski napon se izraunava iz izraza:
Gde je F - sila u N, R - poluprenik platinskog prstena u m, a K
- konstanta koja zavisi od dimenzija platinskog prstena, kao i od
gustine i povrinskog napona tenosti
2.3 Kohezija14
Kohezija (lat. cohaerere "drati se skupa") ili kohezivna
privlanost ili kohezivna sila je fizikalna osobina supstance,
uzrokovana meumolekularnim privlaenjem izmeu slinih molekula unutar
tela ili supstance koja ih nastoji ujediniti. Voda, na primer, je
jako kohezivna zbog velike polarnosti koju prave hidrogenske veze u
tetraedarskoj konfiguraciji. Rezultat je relativno jaka Coulombova
sila (itaj: Kulonova sila) izmeu molekula. Van der Waalsovi plinovi
kao to su metan, meutim, imaju slabu koheziju samo zbog Van der
Waalsove sile koji postoje zbog nastalog polariteta u nepolarnim
molekulama. Kohezija, zajedno sa adhezijom (privlaenje izmeu
razliitih molekula), pomae u objanjavanju fenomena kao to su
povrinski napon i kapilarnost.
2.4 Dodirni uglovi
Poto nijedna tenost ne moe dugo opstati u savrenom vakuumu,
povrina bilo koje tenosti i granica izmeu te tenosti i nekog drugog
medija. gornja povrina bare, na primer, je granica izmeu vode iz
bare i vazduha. Povrinski napon, tada, nije osobina samo tenosti,
nego i osobina granice te tenosti sa drugim medijem. Ako je tenost
u spremniku, tada, osim granice tenost-gas na gornjoj povrini,
postoji, takoer, granica izmeu tenosti i zidova spremnika.
Povrinski napon izmeu tenosti i vazduha obino je razliit (vei) od
povrinskog napona sa zidovima spremnika. A gde se dve povrine sreu,
njihova geometrija mora biti takva da se sve sile uravnotee.
Sila u takama dodira prikazana za ugao dodira vei od 90 (levo) i
manju od 90 (desno)
15
Gdje se dve povrine sreu, one formiraju dodirni ugao , koji je
ugao kojeg tangenta na povrinu pravi sa vrstom povrinom. Dijagram
na desnoj strani prikazuje dva primera. Naponske sile su prikazane
na granicama tenost-vazduh, tenost-vrsto telo i vrsto telo-vazduh.
Primer levo prikazuje sluaj kada je razlika izmeu povrinskog napona
tenost-vrsto telo i vrsto telo-vazduh, tenost-vazduh, , ali je i
pored toga pozitivna, to jest , manja od povrinskog napona
Na dijagramu, i vertikalne i horizontalne sile moraju se
ponititiu istoj taki. Horizontalna komponenta od se poniti sa
adhezivnom silom, :
Vertikalna komponenta od
mora ponititi silu,
:
Poto su sile direktno proporcionalne njehovim povrinskim
naponima (respektivno), imamo da je:
Ovo znai da je, uprkos potekoama u direktnom merenju razlike
izmeu povrinskih napona tenost-vrsto telo i vrsto telo-vazduh,
povrinski napon tenost-vazduh, , poznat. , mogue zakljuiti , ako je
koliko oni iznose pomou merenja dodirnog ugla (koji se lako
izmeri),
Isti odnos postoji i kod dijagrama na slici. Ali u ovom sluaju
vidimo da je, zbog injenice da je dodirni ugao manji od 90, razlika
povrinskog napona tenostvrsto telo/vrsto telo-vazduh mora biti
negativna: 16
Tenostvoda etanol dietil eter karbon tetrahlorid glicerol
siretna kiselina voda metil jodid iva
vrsto telostaklo od natrijum karbonata olovno staklo taljeni
kvarc
Dodirni ugao
0
parafinski vosak srebro staklo od natrijum karbonata olovno
staklo taljeni kvarc staklo od natrijum karbonata
107 90 29 30 33 140
Neki dodirni uglovi tenost-vrsto telo[2]
2.4.1 Posebni dodirni uglovi
Uoite da je, u posebnom sluaju granice voda-srebro, gde je
dodirni ugao jednak 90, razlika povrinskog napona tenost-vrsto
telo/vrsto telo-vazduh razlika jednaka nula. Drugi posebni sluaj je
kada je dodirni ugao 180. Voda sa posebno pripremljenim teflonom
priblino ima tu vrednost dodirnog ugla. Dodirni ugao od 180
pojavljuje se kada je povrinski napon tenost-vrsto telo tano jednak
povrinskom naponu tenost-vazduh.
17
3. SURFAKTANTI
18
Surfaktanti ili tenzidi su supstance koje sniavaju povrinski
napon vode u odnosu na vazduh ili u odnosu na graninu povrinu sa
drugim supstancama. Re surfaktant potie od engleskog naziva za
povrinski aktivne supstance - surface acting agent. Surfaktanti se
primjenjuju kao sredstva za ienje, a takoer i u tekstilnoj
industriji kao sredstva za kvaenje, emulgaciju i omekavanje.
3.1 Struktura i delovanje surfaktanata
Povrinski aktivne supstance se u rastvoru rasporeuju tako da je
njihova koncentracija na graninoj povrini vea od koncentracije u
unutranjosti rastvora. To omoguava njihova struktura koja se
sastoji od hidrofobnog i hidrofilnog dela molekule. Hidrofobni deo
je alifatski ugljikovodini lanac (ravan ili razgranat). Hidrofilni
deo molekule ima afinitet prema vodi, a to moe biti hidrofilna
grupa npr. karboksilna, sulfatna, sulfonska, ortofosforna, amino
grupa, sulfonamidna, itd. Pri poveanoj koncentraciji surfaktanta
dolazi do formiranja submikroskopskih estica (micele) u
unutranjosti rastvora. Micele su graene od nekoliko stotina molkula
iji su hidrofilni delovi okrenuti prema vodi, a hidrofobni lanci
prema unutranjosti. Ova pojava omoguava solubiizaciju dve tenosti
koje se ne meaju, tj. prividno poveanje
19
rastvorljivosti. Npr. emulzija vode i ulja bie stabilna u
prisustvu povrinski aktivne supstance.
4. WEBEROV BROJ
20
Weberov broj je bezdimenzionalni broj u mehanici fluida koji je
esto koristan u analizi strujanja fluida gde postoji granica izmeu
dva razliita fluida, posebno za viefazna strujanja kod jako
zakrivljenih povrina. Ovaj broj moe se predstaviti kao mera
relativne vanosti inercije fluida u poreenju sa njegovim povrinskim
naponom. Ova veliina je jako korisna u analiziranju strujanja
tankih slojeva i formiranja kapljica i mehuria. Naziv je dobio po
Moritzu Weberu (18711951), a moe se pisati kao:
Gde je: gustoa fluida v brzina fluida l karakteristina duina, na
primjer, dijametar kapljice povrinski napon.
Modifikovani Weberov broj:
Jednak je meri kinetike energije pri radu i povrinske
energije:
Gde je:
i
ZAKLJUAK
21
Povrinski napon je privlana osobina povrine tenosti. On uzrokuje
da povrina dela tenosti bude privuena do druge povrine. Primenjujui
Njutnovu fiziku na sile koje nastaju zbog povrinskog napona, moemo
tano predvideti mnoga ponaanja tenosti koja su tako uobiajna da ih
veina ljudi uzima zdravo za gotovo. Primenjujui zakone
termodinamike na te iste sile, moemo predvideti i suptilnija
ponaanja tenosti. Povrinski napon ime dimenziju sila po jedinici
duine, ili energija po jedinici povrine. Ove dve jedinice su
ekvivalentne ali kada se govori o energiji po jedinici povrine,
ljudi najee koriste termin povrinska energija koji je optiji termin
u smislu da se primijenjuje, takoer, i na vrsta tela, a ne samo na
tenosti.
LITERATURA
22
www.google.com Dr ivotije Topolac, Fizika, Beograd 1978.
23
