UNIVERZITET U NIŠU

Fakultet zaštite na radu

Predmet: Hemijski parametri

SEMINARSKI RAD

Tema: Površinski napon

Mentor: Studenti:

Niš, 2009.

UVOD 2

1. FLUIDI 3

1.1 Sile koje deluju na fluid 4

2. POVRŠINSKI NAPON 6

2.1 Površinski napon na granici tečnosti-tečnost 8

2.2 Površinski napon rastvora 9

2.3 Kohezija 14

2.4 Dodirni uglovi 14

2.4.1 Posebni dodirni uglov 17

3. SURFAKTANTI 18

3.1 Struktura i djelovanje surfaktanata 18

4. WEBEROV BROJ 20

ZAKLJUČAK 21

LITERATURA 22

1

UVOD

Tečnost, ili tečna tela prestavljaju jedno od četiri agregatna stanja1. Ona se bitno

razlikuje od, po osobinama, čvrstih tela sa jedne, i gasova sa druge strane. Ovo pravilo

važi zbog medjumolekulskih sila koje su jače nego kod bilo kog čvrstog tela i slabije od

bilo kog gasa, u odnosu na isti kod tečnosti.

Is toga proizilaze i neke osnovne osobine tečnosti, kao što su, nepostojnost

stalnog oblika, translatorno kretanje molekula tečnosti od sudara do sudara, njena

nestišljivost i nepostojanje unutrašnjeg trenja.

Takodje važno je napomenuti da te osobine stvaraju različite posledice, primer

posledica koje nastaju dejstvom medjumolekulskih sila, je sigurno pojava površinskog

napona.

1Čvrsto, tečno, gasovito, plazma. Danas se plazma ne može zaobići kao četvrto stanje zbog svojih karakteristika.

2

1. FLUIDI

Fluid prestavalja stanje materije u kome ona može da teče 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 šupljina, tj. kao kontinuum. Zanemaruje se molekularni sastav materije i smatra

da se tečnosti i gasovi sastoje iz delića koji sadrže vrlo veliki broj molekula.

Pod delićem se podrazumeva elementarna količina tečnosti ili gasa čiji oblik ne

igra ulogu ni pri mirovanju ni pri kretanju. Zato delić može da se zamisli kao sasvim

mala kocka, lopta, valjak, tetraedar ili bilo koje drugo geometrijsko telo. Delić je potpuno

ispunjen materijom i ima uvek istu masu. Masa dm delića fluida ne menja se za vreme

kretanja ili mirovanja ali se oblik i zapremina delića mogu menjati u toku vremena.

U prostoru koji fluid zauzima raspored delića fluida je takav da se ne javljaju

praznine. Dimenzije delića ne smeju se poistovetiti sa molekulom. Pretpostavka o

neprekidnom ispunjavanju prostora omogućava primenu diferencijalnog i integralnog

računa u Hidraulici, čime su matematički obuhvaćeni i rešeni mnogi problemi. Delići

tečnosti su veoma pokretljivi. Pokretljivost delića gasova je još veća. Zbog ove

pokretljivosti na tečnost ne mogu da deluju koncentrisane sile već samo sile neprekidno

raspoređene po čitavoj masi ili površini tečnosti.

3

1.1 Sile koje deluju na fluid

Posmatra se zapremina V fluida ispunjena masom m. Ako fluid miruje, na ovu

masu deluje Zemljina teža i pritisne sile okolnog fluida. Ako se fluid kreće, deluju još i

sile inercije i sile trenja. Sila Zemljine teže (zapreminska sila) deluje na svaki delić 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 još spoljašnjim ili silama polja.

Zapreminske sile se računaju u odnosu na jedinicu mase fluida. Ako je sila f koja deluje

na jedinicu mase, onda na elementarnu masu dm delića fluida deluje zapreminska sila.

f dm, f{X,Y, Z}

Zapremina V fluida podeliće se na delove 1 i 2. Uticaj dela 2 na deo 1 može da se

zameni malom silom ΔR koja deluje na proizvoljno izabranu površinicu ΔA Na svaki

drugi deo ΔA površi A delovaće neka sila ΔR pri čemu ove sile nisu međusobno

jednake.

Površinska sila može se razložiti na komponentu ΔN normalnu na površinicu i na

komponentu ΔT koja leži u ravni površinice.

normalni tangentni

Kod fluida od normalnih napona može da postoji samo pritisak p (napon na

istezanje bi vrlo lako razdvojio deliće fluida).

4

Pritisak se u proizvoljnoj tački M fluida definiše 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

5

2. POVRŠINSKI NAPON

Molekul u unutrašnjosti tečnosti (vidi sliku) okružen je sa svih strana istim

takvim molekulima tako da je rezultujuća sila međumolekulskog privlačenja nula.

Molekul na površini tečnosti okružen je s jedne strane

istim takvim molekulima tečnosti, a s druge strane

molekulima gasa (vazduha). Pošto se u jedinici

zapremine gasne faze nalazi znatno manji broj

molekula nego u istoj zapremini tečne faze,

međumolekulska privlačenja neće biti uravnotežena,

već će postojati rezultujuća sila usmerena ka unutrašnjosti tečnosti. Ovo nesimetrično

polje sila oko molekula na površini dovodi do pojave površinskog napona, σ, koji

predstavlja silu koja deluje tangencijalno na površinu tečnosti, [N/m].

Površinski napon se javlja kao posledica postojanja kohezionog (unutrašnjeg)

pritiska, tj. sile koja povlači molekule ka unutrašnjosti tečnosti i čiji je pravac normalan

na površinu tečnosti. Zahvaljujući tome tečnost teži da smanji površinu na minimalnu pri

datim uslovima. Zato tečnost u odsustvu spoljnih sila teži da zauzme oblik lopte (kapi

tečnosti), jer je površina lopte najmanja površina za datu zapreminu, pa će površinska

energija sistema pri tome biti minimalna. Da bi se povećala površina tečnosti neophodno

je da se utroši rad da se molekuli iz unutrašnjosti tečnosti dovedu na površinu. Rad se

troši na savladavanje međumolekulskih sila pri prelaženju molekula iz unutrašnjosti

tečnosti na površinu. Rad izvršen za stvaranje jedinice površine, pri povratnom

izotermskom procesu, pre-dstavlja površinsku slobodnu energiju. Površinska slobodna

6

energija u J/m2 brojno je jednaka površinskom naponu u N/m u slučaju

jednokomponentnih tečnosti.

Površinski napon tečnosti zavisi od intenziteta međumolekulskih

sila privlačenja unutar tečnosti. Tako je površinski napon tečnosti, čiji

molekuli ne poseduju dipole relativno mali i iznosi

oko 30×10−3 N/m. Voda čiji molekuli predstavljaju izrazite dipole

ima relativno veliki površinski napon koji na 20°C iznosi 72,75×10−3

N/m (tabela 1).

(tabela 1)

Sa porastom temperature površinski napon tečnosti opada (tabela 2) sve do

temperature bliske kritičnoj. Na kritičnoj temperaturi nestaju razlike između gasne i tečne

faze i površinski napon postaje jednak nuli.

Smanjenje površinskog napona sa porastom temperature se odigrava zato što na

višim temperaturama dolazi do povećanja intenziteta toplotnog kretanja molekula, što

deluje na smanjenje sila privlačenja između njih, pa prema tome i do sniženja

površinskog napona.

(tabela 2)

7

2.1 Površinski napon na granici tečnosti-tečnost

Za tečnosti koje se ne mešaju i koje se ograničeno rastvaraju jedna u drugoj važi

pravilo Antonova- površinski napon na graničnoj površini izmedju tečnosti A i B je

približno jednak razlici površinskih napona, uzajamno zasićenih tečnosti jedne s drugom

(AZ, BZ), na granici s vazduhom:

(tabela 1)

nemešljive tečnosti : voda-benzol (C6H6), voda-ugljentetrahlorid (CCl4), voda

bromoform (CHBr3), voda-hloroform (CHCl3),

Prisustvo jedne tečnosti iznad sloja druge dovodi do sniženja površinskog napona,

pošto se smanjuje nekompenzovanost sila na graničnoj površini dveju tečnosti

koje su u kontaktu,

što je veće privlačenje između molekula dva različita sloja tečnosti na graničnoj

površini to će međupovršinski napon biti manji (sniženje površinskog napona na

graničnoj površini tečnost-tečnost je utoliko veće što je manja razlika u polarnosti

dveju tečnosti koje se ne mešaju; tečnosti bliske po polarnosti mešaju se jedna s

drugom u svim odnosima i zato je međupovršinski napon za njih jednak nuli).

U tabeli (3) dati su površinski naponi na graničnoj površini dva sloja tečnosti koje

su uzajamno zasićene jedna s drugom, pri čemu je jedna od tečnosti voda a druga

organska tečnost i površinski naponi tečnosti zasićenih jedna s drugom na granici s

8

vazduhom. Vidi se da postoji odli-čno slaganje između izračunatih vrednosti

površinskog napona na granici organska tečnost-voda po pravilu Antonova I

eksperimentalno određenih vrednosti.

(tabela 3)

Međupovršinski napon opada sa porastom temperature i približava se nuli kada se

temperatura približava kritičnoj temperaturi rastvorljivosti. Na nekoj temperaturi na kojoj

dolazi do potpunog mešanja dve posmatrane tečnosti nestaju dve faze pa se može reći da

je u takvim uslovima međupovršinski napon jednak nuli.

Površinski napon čvrstih tela, kako na granici sa gasnom tako i sa tečnom fazom

ne može se direktno meriti. Za njegovo određivanje koriste se indirektne metode.

2.2 Površinski napon rastvora

1. Materije koje nemaju uticaja na površinski napon rastvarača

- Takve materije imaju površinski napon blizak površinskom naponu

rastvarača(u odnosu na vodu takva materija je npr. saharin).

2. Površinski neaktivne materije

9

- imaju površinski napon veći od površinskog napona rastvarača,

- relativno veliku rastvorljivost,

- u odnosu na vodu površinski neaktivne materije su elektroliti ( kiseline, baze

i soli).

3. Površinski aktivne materije (PAM)

- adsorbuju se na graničnoj površini tečnost-gas

Adsorpcija PAM na graničnoj

površini voda-vazduh2

- slabo rastvorljive u vodi

- mali površinski napon

- Površinski aktivne materije već pri malim koncentracijama dovode do

znatnog sniženja površinskog napona vode Tako, već pri koncentraci-jama

površinski aktivnih materija od 0,4% i manjim, površinski napon vode se

snižava od 72,75×10−3 N/m do 40×10−3 - 20×10−3 N/m na 20°C. Npr.

0,1% vodeni rastvor Na-oleata ima površinski napon 27,2×10−3 N/m na

20°C

- U odnosu na vodu površinski 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

2 Adsorpcija je proces povećanja koncentracije neke komponente na graničnoj površini dve faze. Pri tome supstanca koja se adsorbuje naziva se adsorbat, a materija koja adsorbuje naziva se adsorbens ili adsorbent

10

supstanci karakteristična su dva dela: polarna grupa (–COOH, –COONa, –

SO3H, –SO3Na, –OH, –NH2 itd.) i apolarni ugljovodonični radikal. Polarna

grupa je hidrofilni deo molekula pošto raspolaže znatnim dipolnim

momentom i lako hidratiše, pa uslovljava afinitet površnski aktivne materije

prema vodi

- Površinski aktivne materije (PAM) prema tipu polarne (hidrofilne) grupe

mogu biti:

1. anjonske, raspolažu na kraju ugljovodoničnog lanca nekom od anjonskih

grupa kao šo su: –COOH, –COONa, –O–SO3H, –O–SO3Na, –SO3Na

itd. Anjonski PAM su npr.: K-laurat (CH3–(CH2)10 –COO− K+), Na-

dodecilsulfat (CH3–(CH2)11 – SO4− Na+), Na-dodecilsulfonat (CH3–

(CH2)11–SO3− 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, najčešće imaju u svom sastavu hidroksilnu (–OH) grupu ili

polioksietilenski lanac [–(CH2–CH2–O)n)–] koji predstavljaju

hidrofilni, polarni deo molekula. Supstance koje se u svojstvu PAM

koriste za regulisanje površinskog napona na granici vodeni rastvor-

vazduh i stvaranje pene (tzv. pe-nušači) u procesima flotacijske

koncentracije različitih ruda pripadaju baš grupi nejonskih PAM

4. amfolitičke, se mogu, zavisno od pH da se u vodenom rastvoru ponaša

kao anjonska, katjonska ili nejonska PAM

Molekuli površinski aktivne supstance se orijentišu pri adsorbovanju na površini

tako da im se hidrofobni deo, tj. ugljovodonični lanac orijentiše prema vazduhu, a polarna

hidrofilna grupa prema vodi, što se da videti na donjoj slici.

11

3

4. Metode određivanja površinskog napona tečnosti

- metoda stalagmometra, određivanje površinskog napona preko određivanja

mase kapi

Masa kapi tečnosti koja ističe iz kapilare je

proporcionalna površinskom naponu tečnosti. Da bi se kap,

koja se formira na kraju kapilare, otkinula potrebno je da se

savlada površinski napon. Ukoliko je površinski napon veći

potrebna je veća masa kapi da bi se savladao površinski

napon i utoliko će manji broj kapi da se formira iz iste

zapremine tečnosti. Dakle, masa kapi upravo je

proporcionalna, a broj kapi iz određene zapremine tečnosti

obrnuto proporcionalan površinskom naponu. Metodom

stalagmometra površinski napon se određuje poređenjem

broja kapi koji isteče iz zapremine V (zapremina proširenja

A) ispitivane tečnosti sa brojem kapi iste zapremine tečnosti-etalona (najčešće

destilovana voda), čiji je površinski napon poznat.

Pošto je V⋅d jednako masi ukupne zapremine tečnosti, gde je d gustina tečnosti,

to će masa jedne kapi da bude jednaka V⋅d/n, gde je n broj kapi iz zapremine V. Kako je

masa kapi srazmerna površinskom naponu sledi :

Isti izraz se može napisati i za destilovanu vodu, koja u ovom slučaju služi kao etalon:

3 Zavisnost površinskog napona (σ) u N/m od koncentracije (c)

12

pri čemu je k - konstanta koja zavisi od dimenzija i konstrukcije stalagmometra.

Deljenjem prve jednačine sa drugom jednačinom dobija se konačan izraz za

određivanje površinskog napona tečnosti:

- Metoda određivanja površinskog napona torzionom vagom ili tenziometrom po Di Noju (Du Noüy), zasniva na određivanju sile potrebne da se platinski prsten odvoji od površine tečnosti nasuprot delovanju površinskog napona

Torziona vaga

Površinski napon se izračunava iz izraza:

Gde je F - sila u N, R - poluprečnik platinskog prstena u m, a K - konstanta koja

zavisi od dimenzija platinskog prstena, kao i od gustine i površinskog napona tečnosti

13

2.3 Kohezija

Kohezija (lat. cohaerere "držati se skupa") ili kohezivna privlačnost ili

kohezivna sila je fizikalna osobina supstance, uzrokovana međumolekularnim

privlačenjem između sličnih 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 (čitaj: Kulonova sila) između molekula. Van der Waalsovi plinovi kao što su metan,

međutim, imaju slabu koheziju samo zbog Van der Waalsove sile koji postoje zbog

nastalog polariteta u nepolarnim molekulama.

Kohezija, zajedno sa adhezijom (privlačenje između različitih molekula),

pomaže u objašnjavanju fenomena kao što su površinski napon i kapilarnost.

2.4 Dodirni uglovi

Pošto nijedna tečnost ne može dugo opstati u savršenom vakuumu, površina bilo

koje tečnosti i granica između te tečnosti i nekog drugog medija. gornja površina bare, na

primer, je granica između vode iz bare i vazduha. Površinski napon, tada, nije osobina

samo tečnosti, nego i osobina granice te tečnosti sa drugim medijem. Ako je tečnost u

spremniku, tada, osim granice tečnost-gas na gornjoj površini, postoji, također, granica

između tečnosti i zidova spremnika. Površinski napon između tečnosti i vazduha obično

14

je različit (veći) od površinskog napona sa zidovima spremnika. A gde se dve površine

sreću, njihova geometrija mora biti takva da se sve sile uravnoteže.

Sila u tačkama dodira prikazana za ugao dodira veći od

90° (levo) i manju od 90° (desno)

Gdje se dve površine sreću, one formiraju dodirni ugao , koji je ugao kojeg

tangenta na površinu pravi sa čvrstom površinom. Dijagram na desnoj strani prikazuje

dva primera. Naponske sile su prikazane na granicama tečnost-vazduh, tečnost-čvrsto telo

i čvrsto telo-vazduh. Primer levo prikazuje slučaj kada je razlika između površinskog

napona tečnost-čvrsto telo i čvrsto telo-vazduh, , manja od površinskog napona

tečnost-vazduh, , ali je i pored toga pozitivna, to jest

Na dijagramu, i vertikalne i horizontalne sile moraju se poništitiu istoj tački.

Horizontalna komponenta od se poništi sa adhezivnom silom, :

Vertikalna komponenta od mora poništiti silu, :

Pošto su sile direktno proporcionalne njehovim površinskim naponima

(respektivno), imamo da je:

15

Ovo znači da je, uprkos poteškoćama u direktnom merenju razlike između

površinskih napona tečnost-čvrsto telo i čvrsto telo-vazduh, , moguće zaključiti

koliko oni iznose pomoću merenja dodirnog ugla (koji se lako izmeri), , ako je

površinski napon tečnost-vazduh, , poznat.

Isti odnos postoji i kod dijagrama na slici. Ali u ovom slučaju vidimo da je,

zbog činjenice da je dodirni ugao manji od 90°, razlika površinskog napona tečnost-

čvrsto telo/čvrsto telo-vazduh mora biti negativna:

Tečnost Čvrsto telo Dodirni ugao

voda staklo od natrijum karbonata

0°

etanol olovno staklo

dietil eter taljeni kvarc

karbon tetrahlorid  

glicerol  

sirćetna kiselina  

vodaparafinski vosak 107°srebro 90°

metil jodidstaklo od natrijum karbonata 29°

olovno staklo 30°taljeni kvarc 33°

živa staklo od natrijum karbonata 140°

Neki dodirni uglovi tečnost-čvrsto telo[2]

2.4.1 Posebni dodirni uglovi

16

Uočite da je, u posebnom slučaju granice voda-srebro, gde je dodirni ugao

jednak 90°, razlika površinskog napona tečnost-čvrsto telo/čvrsto telo-vazduh razlika

jednaka nula.

Drugi posebni slučaj je kada je dodirni ugao 180°. Voda sa posebno

pripremljenim teflonom približno ima tu vrednost dodirnog ugla. Dodirni ugao od 180°

pojavljuje se kada je površinski napon tečnost-čvrsto telo tačno jednak površinskom

naponu tečnost-vazduh.

17

3. SURFAKTANTI

Surfaktanti ili tenzidi su supstance koje snižavaju površinski napon vode u odnosu

na vazduh ili u odnosu na graničnu površinu sa drugim supstancama. Reč surfaktant

potiče od engleskog naziva za površinski aktivne supstance - surface acting agent.

Surfaktanti se primjenjuju kao sredstva za čišćenje, a također i u tekstilnoj industriji kao

sredstva za kvašenje, emulgaciju i omekšavanje.

3.1 Struktura i delovanje surfaktanata

Površinski aktivne supstance se u rastvoru raspoređuju tako da je njihova

koncentracija na graničnoj površini veća od koncentracije u unutrašnjosti rastvora. To

omogućava njihova struktura koja se sastoji od hidrofobnog i hidrofilnog dela molekule.

18

Hidrofobni deo je alifatski ugljikovodični lanac (ravan ili razgranat). Hidrofilni

deo molekule ima afinitet prema vodi, a to može biti hidrofilna grupa npr. karboksilna,

sulfatna, sulfonska, ortofosforna, amino grupa, sulfonamidna, itd. Pri povećanoj

koncentraciji surfaktanta dolazi do formiranja submikroskopskih čestica (micele) u

unutrašnjosti rastvora. Micele su građene od nekoliko stotina molkula čiji su hidrofilni

delovi okrenuti prema vodi, a hidrofobni lanci prema unutrašnjosti. Ova pojava

omogućava solubiizaciju dve tečnosti koje se ne mešaju, tj. prividno povećanje

rastvorljivosti. Npr. emulzija vode i ulja biće stabilna u prisustvu površinski aktivne

supstance.

19

4. WEBEROV BROJ

Weberov broj je bezdimenzionalni broj u mehanici fluida koji je često koristan

u analizi strujanja fluida gde postoji granica između dva različita fluida, posebno za

višefazna strujanja kod jako zakrivljenih površina. Ovaj broj može se predstaviti kao

mera relativne važnosti inercije fluida u poređenju sa njegovim površinskim naponom.

Ova veličina je jako korisna u analiziranju strujanja tankih slojeva i formiranja kapljica i

mehurića.

Naziv je dobio po Moritzu Weberu (1871–1951), a može se pisati kao:

Gde je:

- ρ gustoća fluida

- v brzina fluida

- l karakteristična dužina, na primjer, dijametar kapljice

- σ površinski napon.

Modifikovani Weberov broj:

Jednak je meri kinetičke energije pri radu i površinske energije:

Gde je:

20

i

ZAKLJUČAK

Površinski napon je privlačna osobina površine tečnosti. On uzrokuje da

površina dela tečnosti bude privučena do druge površine.

Primenjujući Njutnovu fiziku na sile koje nastaju zbog površinskog napona,

možemo tačno predvideti mnoga ponašanja tečnosti koja su tako uobičajna da ih većina

ljudi uzima zdravo za gotovo. Primenjujući zakone termodinamike na te iste sile,

možemo predvideti i suptilnija ponašanja tečnosti.

Površinski napon ime dimenziju sila po jedinici dužine, ili energija po jedinici

površine. Ove dve jedinice su ekvivalentne — ali kada se govori o energiji po jedinici

površine, ljudi najčešće koriste termin površinska energija — koji je opštiji termin u

smislu da se primijenjuje, također, i na čvrsta tela, a ne samo na tečnosti.

21

LITERATURA

www.google.com

Dr Životije Topolac, Fizika, Beograd 1978.

22