Kortfattade lösningar till tentamen i Yt och kolloidkemi

Transkript

1 TFKI0 Yt och kooikei Ht-0 Intitutionen för fyik och ätteknik Marianne Granfet Kortfattae öningar ti tentaen i Yt och kooikei a) Ett kooiat yte efiniera o ett yte är åtintone en a e ingåene koponenterna har int en ienion i torekorningen 1n 1µ yte kont fa ip fa argarin oja attenroppar och fettkritaer (kooia ip., teroyn. intabi, tå faer) tankrä atten fata partikar i hög koncentration (kooia ip., teroyn. intabi) b) ikroeuion akrokopikt hoogen, teroynaikt tabi banning a oja, atten och urfaktant. 4 π r ( ) Voyen a en tora roppen 4 π r 4 1,0 π Voyen a en iten roppe ( ) 4 1,0 π (1,0 Anta roppar (1,0 ) ) 1 1 t -6 1 Tota yta 4π r anta roppar 4π (1 ) 1 1,6 Yta per attenoeky 0,10 n 0,10 *10-18 Totat anta o itter i ytan 1,6 0, t 1,6 t c) Metoerna kan ge: AFM: inforation o topografi för ytan. O an itäet gör kraftätning å kan an få inforation o interaktioner ean kooiaa partikar och ean partikar och ytor. Detta ger ockå inforation o t.ex. ytaning

2 Aorptionioterer: ger inforation o ytarean, eer oänt o ytan är kän å kan an får uppfattning o en partike torek. Ljuprining: partikar oekyikt och eentuet for, beroene på förhåanet ean juet ågäng och partikarna torek. ESCA: ger inforation o ika grunänen o finn på ytan... ytaanättningen. Vi eientation i graitationfät gäer: (ger,5p) 4πa ( ρ ρ ) p g 6πηa x t ρ 0,7 9 1,0 kg / 600 (0, ) 9,81 / Röreen p.g.a. iffuion: ( ger 1,5p) p x 9η ρ + t a g 48kg / (1p) 1000kg / + x Dt ktt 6πηa 1,8 6π 1,0 J / K 98K 600 J / 0, 7, ,4 Förhåanet är å,7% 0,7. a) Detta är ätning a ootikt tryck i oika öningee och i oika koncentrationer a nitroceuoa. ( 1p) b) Denna typ a ätningar kan genoföra på yte o är i teroynaik jäikt,.. när et gäer åra kooiaa yte i ätningar på akrooekyer i öning och på aociationkooier. ( 1p) 1 c) π crt( + B c + Bc +...) M iket eför att: π RT π i å c 0 I etta fa har an pottat c M crt på y-axen iket gör att extrapoering ti c0 ger äret för 1/M. Aäning ger : 1/M 1,0 *10-5 g/o iket ger M1,0*10 5 g/o ( p)

3 ) Det eeäre o erhåe är ett antaeeäre. Ootikt tryck är en koigati egenkap o enat beror på antaet partikar, inte ika e är. Syte är toreken på partikarna arierar kaa poyipera. ( p) e) Lutningen på e grafer o återge i figuren beror på ärena för kontanterna B i ekationen oan. Kontanterna äre beror på äxeerkan ean nitroceuoan och öningeet. (p) B>0 bra öningee B<0 inte bra öningee För nitrobenen är B0 och yteet uppför ig ieat. (8p) 4. Ytpänning beror på obaan i e interoekyära krafterna. En oeky o befinner ig i gränytan påerka inte a ika tora krafter åt aa hå. Detta eer ti en reuterane kraft inåt åt buken. De attraktia krafterna ean oekyerna kan utgöra a Van er waa krafter, eektrika krafter eer etaika binningar. Ju tarkare e interoekyära krafterna är ju törre bir obaanen och ju högre är en energi o behö för att fytta en oeky från buken ti ytan. Detta är en energi o behö för att kapa ny gränyta iket är a ytpänningen bekrier. Vätka Verkane krafter Hexan Diperionkrafter Kickier Diperionkrafter och Metaik bining (kt. tark äxeerkan) b) (p) Giet är: γ γ h hk h k 51,1 J / 78J / γ 7,8J / γ 18,0J / γ 484J /

4 Fowke approx: γ γ + γ γ γ ökt k k k O Fowke approxiation tiäpa på gina gränkiktpänningar få: γ h γ + γ γ γ ,8 18 γ ger γ 1, 9 J/ h h Här har an antagit att γ h γ h På aa ätt ger γ hk äret på γ k 1, 6 J/ Inättning a ea ata i ökt uttryck ger γ k 40 J/ (p) 5. (6p) a) CMC är en kritika icekoncentrationen I figuren nean kan an e hur yteet beter ig i ökane koncentration a urfaktant. Ti en början ökar koncentrationen a onoerer i buken och atiigt ökar koncentrationen i ytan. Koncentrationen i ytan är ycket högre än en i buken eftero urfaktanterna är afifier e en hyrofob och en hyrofi e. De tri ärför i gränytan ean atten och uft. Vi en i koncentration i buken bir et er föreaktigt för yteet att urfaktanterna biar aggregat. Detta ger ägre entropi för urfaktanterna en för atten innebär et öka entropi. Hyrofoba änen gör att atten åte trukturera ig på ett ogynnat ätt. Efter CMC koer a ytterigare tiatt urfaktant att bia iceer och onoerkoncentrationen i buken och i ytan koer att ara kontant. Ytpänningen koer åee ockå att ata ti e att CMC uppnått och koer ärefter att ara kontant.

5 b) Drikraften för icebining är att et är ogynnat för attnet att äxeerka e e hyrofoba kejorna. Se äen a) (p för a+b) c) I figuren nean ia oika ätt att äta CMC. Tå exepe är: Att äta ytpänningen o fört atar för att ean bi kontant efter CMC Att äta ootikt tryck. Detta ökar å koncentrationen onoer i öningen ökar. Vi CMC koer antaet partikar att öka betyigt ångaare och kuran får en knyck (1p) ) O an tiätter eektroyt å kära aningarna på e jonika urfaktanterna. Detta gör att en repuion ean huugrupper o upptår i icebining, bir inre och iceer koer att bia i en ägre koncentration. CMC koer atå att junka. (1p) e) CPP är en kritika packningparaetern och efiniera o: ν oyen för en keja ax kokejan axiaa äng a tärnittyta CPP ger en uppfattning a hur oekyen paar för oika typer a packning. Viken truktur o paar agör a huugruppen torek i förhåane ti koätekejan,... förhåane ean en hyrofia och en hyrofoba een torek. Ett CPP äre på 1, taar för en tor an och ett itet

6 huu. Detta paar inte för iceer för ika äret narare ka ara 0,, utan itäet är et roigt att urfaktanten biar oäna iceer (p) f) CPP-äret för jonika tenier kan t.ex. änra geno att ariera eektroythaten. Högre hat eektroyt ger inre huu och äre högre CPP, änkt hat ger törre huu och ägre CPP. Att byta kokeja ti en e tå anar ger en törre oy för kejan och ett högre äre på CPP. (1p) (7p) 6. Tå ekationer kan anäna Young ekation : γ γ co θ γ 0 är atten, naftaen + Ur enna få γ Aheionarbetet: γ γ coθ W AB 0 γ + γ γ + γ coθ γ (1 + coθ ) 7,8(1 + co88 ) 75,J / γ + γ γ Spriningkoefficienten S γ ( γ + γ ) γ γ (coθ ) 7,8(co88 0 ) 70,J / γ γ + γ coθ Detta betyer att atten inte prier ig eftero S<0 7. Languir ekation: P A /V P A (N/ c ) (N/ ) 1,0E+05 1,E+04 1,78E+05,67E+04,47E+05 4,00E+04,1E+05 5,E+04,81E+05 6,66E+04 4,44E+05 8,00E+04 P A PA + 1 V V KV

7 5,00E+05 y 5,188x ,00E+05,00E+05,00E+05 1,00E+05 Serie1 Linjär (Serie1) 0,00E+00 0,00E+00 5,00E+04 1,00E+05 Lutningen ger 1/V 5,188c - iket eför V 0,195 c Detta räkna o ti antaet oekyer.h.a. ieaa gaagen och aogaro ta: Anta oekyer 5 PV 1,015 N / 0,195 N N A RT 8,14No K 7K 5,4 18 t 6,05 t / o Tota area 5,4 18 t 1 0 / t 0,68 Beäggninggra i trycket 4,0 * 10 4 N/ få geno att kontatera att å är V0,16 c. Voyen för ett onoager har betät ti 0,195 c och V 0,16 beäggninggraen bir ärför: θ 8% 0,195 V 8. Nean ia hur potentiaen utanför en aa yta arierar o funktion a atånet från ytan. (6p)

8 a) 10 Det iffua kiktet tjockek ge a 1/κ är κ 0,9 cz C är otjonerna koncentration iket i etta fa är 0,010 M Z är otjonen aen iken kan anta ara Inättning ger: κ 0,9 0,01 1 Tjockeken 1/κ bir å:,04-9 (p) b) O eektroythaten ökar å koer potentiaen att ata nabbare eftero κ å κx bir törre och potentiaen atånberoene ge a: Ψ( x) Ψ0e Väret för potentiaen i ytan.. i x0 ka ara etaa och et är ockå riigt att anta att föränringen geno Sternkiktet är enaa. Därefter bör kuran nabbare akinga ot 0. (1p) c) Ytan aning få ut abanet : 8 σ εκψ0 8,854 CV 78,5,9 40 V 9,1 C / (p) ) Ta rea på iken fore o gäer geno att beräkna κ a,9 iket är ycket törre än 1 ξε Atå gäer föjane fore u E η här kan zetapotentiaen ξ anta ara ika e Inättning ger: 5 V 78,5 8,854 CV 8 u E 1,74 / V 1,0 CV / Ψ 8 1,0 (p) e) Repuionen oraka a att e iffua kikten öerappar. I etta fa är e iffua kikten 0Å tjocka och atånet är 100Å. *0Å<100Å.. ingen repuion. (1p) (8p)

9 9. Euioner och ikroeuioner kan ara oja i atten O/W eer atten i oja W/O. O en W/O eer en O/W euion bia å tå icke-banbara ätkor hoogeniera beror på: Den reatia oyen (Ju er et finn a en ena faen ju er troigt är et att enna bir iperioneet) Euioneet (eugatorn) egenkaper O eugatorn i ara i atten å bia en O/W-euion. Detta ger törre yta för eugatorn att itta på. Bancroft rege För afifia eugatorer beror erkan på hyrofi/ipofi baanen HLB-äret. Mer hyrofi eför er attenöig (högt HLB-äre). Detta ger en O/W euion (5p) För uppgift e repektie projektrapport.