Definizione, equazione, unità e misurazione della tensione interfacciale

IL tensione interfacciale (γ) è la forza netta per unità di lunghezza che viene esercitata sulla superficie di contatto tra una fase (solido o liquido) e un'altra (solido, liquido o soda). La forza netta è verticale per la superficie di contatto ed è diretta nelle fasi.

Quando una delle fasi è un gas, di solito viene chiamato tensione superficiale. Le fasi in contatto sono impossibili, cioè non possono dissolversi tra loro per formare una soluzione. La regione di contatto tra le fasi è una superficie di separazione geometrica Interfaccia. La tensione interfacciale è dovuta alle forze intermolecolari presenti all'interfaccia.

Forze tra molecole di un liquido in contatto con l'aria [di Booyabazooka (https: // Commons.Wikimedia.Org/wiki/file: wassermolek%c3%bcleint%c3%b6pfchen.Svg)]

La tensione interfacciale svolge un ruolo importante in molti fenomeni interfacciali e processi come emulsioni e produzione di petrolio.

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Definizione

Le proprietà dell'interfaccia non sono uguali alle proprietà all'interno delle fasi in contatto, poiché si manifestano diverse interazioni molecolari perché in quella regione ci sono molecole che appartengono sia a una fase che all'altra.

Le molecole all'interno di una fase interagiscono con le molecole vicine, che hanno proprietà simili. Di conseguenza, la forza netta interna è nullo perché interazioni attraenti e repulsive sono uguali in tutte le possibili direzioni.

Le molecole che sono sulla superficie tra le due fasi sono circondate da molecole della stessa fase ma anche di molecole vicine dell'altra fase.

In questo caso, la forza netta non è vuota ed è diretta nella fase in cui vi è una maggiore interazione. Il risultato è che lo stato energetico delle molecole sulla superficie è maggiore dello stato di energia all'interno della fase.

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La forza netta che agisce verso l'interno per unità di lunghezza lungo l'interfaccia è la tensione interfacciale. A causa di questa forza, le molecole tendono spontaneamente a ridurre al minimo l'energia minimizzando la superficie per ciascuna unità di volume.

Definizione basata su lavoro ed energia

Per attirare una molecola dall'interno alla superficie è necessario che le forze che agiscono sulla molecola superano la forza netta. In altre parole, è necessario un lavoro per aumentare la superficie interfacciale.

Forza necessaria per aumentare la regione interfacciale. (https: // Commons.Wikimedia.org/wiki/file: Surface_growing.PNG)

Maggiore è la maggiore forza intermolecolare è il lavoro da svolgere e maggiore è l'ingresso di energia. Per questo motivo, la tensione interfacciale è anche definita in base al lavoro o in base all'energia, come menzionato di seguito:

La tensione interfacciale è il lavoro necessario per creare un'unità di area all'interfaccia. Allo stesso modo, la tensione interfacciale è definita come l'energia libera richiesta per unità di area creata.

Unità di tensione equazione e interfacciale

L'equazione della tensione interfacciale a seconda della forza netta intermolecolare è:

γ = F/2l          [1]

F = Forza netta

l = lunghezza dell'interfaccia

Il numero 2 che appare nell'equazione [1] significa che ci sono due superfici, una per ogni faccia dell'interfaccia.

La tensione interfacciale a seconda del lavoro richiesto per generare un'unità di superficie è espressa dalla seguente equazione:

γ = Con ΔA          [2]

W = Lavoro

ΔA = Aumento della superficie

La creazione dell'area interfacciale è accompagnata da un aumento dell'energia libera da allenamento.

γ = ΔE/ΔA          [3]

ΔE = Energia di formazione dell'interfaccia

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Le unità di tensione interfacciale nel sistema internazionale sono N/M o joule/m². Di solito viene anche usato dynas/cm o mn/m.

Dipendenza da temperatura

Uno dei principali fattori che influenzano la tensione interfacciale è la temperatura. Man mano che la temperatura aumenta le forze di interazione diminuiscono, a seguito di ciò, la forza netta che contrae la superficie diminuisce anche causando una diminuzione della tensione interfacciale.

Tensione superficiale a seconda della temperatura dell'acqua Aire [(https: // Commons.Wikimedia.org/wiki/file: temperatura_dipendence_surface_oof_water.Svg)]

Se la temperatura è ancora in aumento, arriverà un momento in cui la tensione interfacciale verrà annullata e non vi sarà alcuna superficie di separazione tra le fasi. La temperatura alla quale viene annullata la tensione interfacciale è chiamata temperatura critica (T_C).

Il motivo per cui la tensione interfacciale diminuisce è che quando la temperatura aumenta l'energia cinetica dovuta all'aumento del movimento termico delle molecole.

Misurazione della tensione interfacciale

Esistono diversi metodi di misurazione sperimentale della tensione interfacciale, tra cui le più appropriate secondo le proprietà caratteristiche delle fasi in contatto e le condizioni sperimentali possono essere scelti.

Tra questi metodi ci sono il metodo della piastra Wilhelmy, il metodo Du Nouy Ring, il metodo in sospeso e il metodo di caduta rotante.

Metodo della piastra Wilhelmy

Consiste nel misurare la forza verso il basso che esercita la superficie di una fase liquida su una lastra di alluminio o vetro. La forza netta esercitata sulla piastra è uguale al peso più la forza di tensione. Il peso della piastra è ottenuto mediante.

Metodo Du Nouy Ring

In questo metodo la forza viene misurata per separare la superficie di un anello di metallo da una superficie liquida assicurando che prima di misurare, l'anello sia completamente immerso nel liquido. La forza di separazione è uguale alla tensione interfacciale e viene misurata utilizzando un equilibrio ad alta precisione.

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Metodo di caduta in sospeso

Questo metodo si basa sulla misurazione della deformazione di una goccia appesa da un capillare. La goccia è mantenuta in equilibrio mentre è appesa perché la forza di tensione è uguale al peso della goccia.

L'allungamento della caduta è proporzionale al peso della caduta. Il metodo si basa sulla determinazione della lunghezza della caduta a causa del suo peso.

Metodo di caduta della pendenza [di Urocyon (https: // Commons.Wikimedia.org/wiki/file: penndant_drop_test.Svg)]

Metodo di caduta rotante

Il metodo di caduta rotante è molto utile per misurare tensioni interfacciali molto basse che si applicano al processo di produzione di emulsioni e microemulsioni.

Consiste nel posizionare una goccia di un liquido meno denso all'interno di un tubo capillare pieno di un altro liquido. La goccia è sottoposta a una forza centrifuga a causa di un movimento di rotazione, con grande velocità, che allunga la goccia sull'asse y e si oppone alla forza di tensione.

La tensione interfacciale è ottenuta dalle dimensioni della forma geometrica della gotta, in fase di deformazione e dalla velocità di rotazione.

Riferimenti

1. Tadros, t f. Applicare i tensioattivi. Berkshire, Regno Unito: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co, 2005.
2. Van Oss, C J. Forze interfacciali nei supporti acquosi. Florida, USA: Taylor & Francis Group, 2006.
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