Linköpings Universitet IFM - Kemi Yt- och Kolloidkemi - NKEC21 NOP/Kontaktvinkel_10.doc. Lab. 1 Mätning av ytspänning och kontaktvinkel

Transkript

1 Linköpings Universitet IFM - Kemi Yt- och Kolloidkemi - NKEC21 NOP/Kontaktvinkel_10.doc Lab. 1 Mätning av ytspänning och kontaktvinkel

2

3 Mätning av ytspänning. Många olika metoder finns för att mäta ytspänning. Några beskrivs i Pashley & Karaman kap. 2 och i exp. 2.1, samt i föreläsningen om ytspänning. Här skall vi tillämpa två metoder, Wilhelmy-plattan och du Nöy-ringen. Wilhelmys platta. En omsorgsfullt rengjord platta med räta vinklar sänks ned till en liten del i vätskan vars ytspänning skall mätas. Vätskan antas väta plattan fullständigt, d.v.s. kontaktvinkeln är 0 o. Plattans nedre kant förutsätts vara precis vid vätskeytan, så att man slipper korrigera för vätskans lyftkraft (uppåt) eller för uppdragen (lyft) vätska (nedåt). Man får då för den kraft som ytspänningen drar vätskan nedåt (F, räknas i N): F = γ L cosθ F γ = L cosθ (1) där F = kraften som vätskan utövar på plattan genom ytspänning, L = den vätta längden av plattan (omkretsen) och θ = kontaktvinkeln mellan vätskan och plattan. Metoden kan användas för mätning av ytspänning i området mn/m.

4 Du Nöys ringmetod. Denna metod mäter den kraft som behövs för att dra loss en ring som väts av en vätskeyta enligt figuren nedan. Ringen är av platina/iridium och måste vara helt plan och hänga så att den blir fullständigt horisontell när den släpper. Ett annat problem är att när vätskan släpper har den dragits upp en bit av ringen så att en ringformig menisk lyfts upp. Denna buktiga yta har inte sin maximala volym precis när den släpper (se figuren). För detta måste man korrigera. Figur 2 a) b) c) I a) visas uppställningen, b) visar hur volymen på den upplyfta vätskan kan variera olinjärt med höjden, och i c) visas hur kraften varierar med lyfthöjden och att maximal kraft inte utövas när filmen brister. Ytspänningen fås ur följande ekvation: Fmax Fv γ = (2) L cosθ där F max = maximala kraften F v = kraften från vätskan under ringen L = längd på vätt del av ringen = omkretsen θ = kontaktvinkel mellan ring och vätska Denna metod kan användas för mätning av ytspänningar mellan mn/m.

5 Kontaktvinkel. Kontaktvinkeln mellan en vätska och en fast fas definieras enligt nedanstående figur (se även föreläsningarna eller kap. 2, fig och 2.17 i Pashley & Karaman): Fig. 3. Vätning och kontaktvinkel. En vätska sägs väta en fast yta om kontaktvinkeln är mindre än 90 o. Om vätskan är vatten är ytan hydrofil. Om kontaktvinkeln är större än 90 o väter vätskan inte, och om vätskan är vatten är ytan då hydrofob. Fullständig vätning innebär att vätskan har kontaktvinkeln 0 o. Genom att sätta den sammanlagda kraften på molekylerna horisontellt och vinkelrätt mot droppens gränslinje till noll kan man lätt övertyga sig om att sambandet nedan gäller (Youngs ekvation, 1805): γ sv = γ sl + γ lv cosθ γ lv cos θ = γ sv γ sl (3) γ sv är den ytspänning som den fasta ytan har när den står i jämvikt med vätskans ånga. Detta värde skiljer sig något från den rena fasta ytans ytspänning när den är i jämvikt med sin egen ånga, γ s. Skillnaden kallas yttryck, π (samma dimension som ytspänning), och behandlas i samband med filmer på ytor. Det gäller då: γ γ = π s sv och γ lv cos θ = γ s π γ sl Vi bortser från yttrycket i resten av diskussionen nedan. För γ sl som är svår att mäta, kan man använda Fowkes approximativa formel: γ sl d d 1/ 2 ( γ γ ) = γ s + γ lv 2 lv s (4) där γ d anger det dispersiva bidraget till ytspänningen i fråga (se föreläsningarna, kan finnas i vissa tabeller). Det dispersiva bidraget är det enda i opolära vätskor.

6 d Sätter vi in Fowkes approximation i ekvationen ovanför och antar att γ lv = γ lv dvs. att bidraget från vätebindningar kan försummas, samt att π = 0, kan vi skriva: d γ s cos θ = 1+ 2 (5) γ lv Det värde på γ lv som ger cosθ = 1 kallas den kritiska ytspänningen för den fasta ytan. Värdet bestäms lättast genom att avsätta cosθ mot γ lv enligt figur 4 nedan (ett s.k. Zisman-diagram). Figur 4. Zisman-diagram för bestämning av kritiska ytspänningen. Mätning av kontaktvinkel. Kontaktvinkeln av en viss vätska på en viss fast yta kan mätas direkt med en tunn laser, vars reflektionsvinkel mäts. Vi kommer i stället att undersöka krafterna när en platta av den fasta ytan sänks ned eller dras upp ur vätskan (Vilhelmy-platta). Detta ger två olika kontaktvinklar: en när plattan väts under neddoppningen = advancing och en annan när den lyfts upp receeding. I det förra fallet väts torr yta successivt, i det senare drar vätskan sig tillbaka från redan våt yta. Dessa vinklar kan inte förväntas bli lika beroende bl. a. på att ytan inte är perfekt. (Vilken bör bli störst?) Skillnaden kan bli flera tiotal grader. Vanligen mäts advancing -vinkeln som mest trovärdig. Mätningen görs på så vis att en platta av det aktuella ämnet (glas, plast, parafilm ) hänger vertikalt från en känslig våg som registrerar kraften som verkar nedåt. Den dominerande kraften är tyngdkraften, som är densamma hela tiden och som bortses ifrån härefter (nollställs i ytvågen). Dessutom tillkommer två ytterligare krafter : Lyftkraft uppåt från vätskan F b. Dragkraft nedåt från ytspänningen F c

7 För lyftkraften gäller: Fb = Lx Ly Z ρ g där L x och L y är bredd resp. tjocklek hos plattan, Z = längden av den del av plattan som är under vätskeytan, och ρ skillnaden i densitet mellan vätska och luft. Produkten av de tre första faktorerna utgör volymen av den neddoppade delen av plattan. Lyftkraften kommer alltså att öka med Z som är = 0 i början när plattans nedre kant är precis i höjd med vätskeytan. För dragkraften från ytspänningen gäller: F c = L γ lv cosθ där L = plattans omkrets = L ( + ) För summan av dessa krafter (F) gäller alltså: = 2 L x L y, γ lv = vätskans ytspänning och θ kontaktvinkeln. F F + F = L L Z ρ g + L γ cosθ (6) = b c x y lv Bilden nedan visar F/L som funktion av Z. Förklara utseendet.

8 Laborationens utförande. Alla mätningar görs på en automatisk datorstyrd ytvåg, som genomför mätningarna enligt speciella program. Erforderliga indata läggs in före mätningen och efteråt kan resultaten sedan skrivas ut på en blankett. Vid ytkemiska mätningar är det av yttersta vikt att alla ytor och kemikalier är rena, eftersom föroreningar gärna ansamlas på ytor. Glasytor tvättas med svavelsyra, spädd 1:1 och plastytor med diskmedel och därefter mycket vatten. Parafilm tas direkt ur rullen och klipps till med minimal beröring. Förberedelser: Bered en lösning av diskmedel i vatten (stamlösning). Lämplig koncentration är 5 g i 1,000 dm 3 vatten. Blanda försiktigt för att undvika skumbildning. (Kan vara beredd före lab. för att skummet skall ha lagt sig.) Bered 5 st utspädda lösningar med spädning 1/25, 1/50, 1/100, 1/400, 1/2000 i vatten. Förbered en hydrofil yta genom att sätta ned en glasplatta (täckglas) i svavelsyra 1:1. Låt stå ca. 10 min. och tvätta sedan med mycket vatten. Mät tjockleken med skjutmått på ett annat glas. Förbered en hydrofob yta genom att klippa till en lagom stor bit parafilm. Mät tjockleken med skjutmått på en annan del av filmen. Wilhelmy-plattan och du Nöy-ringen av platina tvättas ev. med särskild teknik före och under mätningarnas gång. Datorn skall ha Sigma 70-programmet uppstartat och ytvågen bör vara påslagen och ungefärligen nollställd (ass. visar). Mätningar. Ytspänning. Mät ytspänningen för rent vatten med Wilhelmy-metoden. Mät ytspänningen för rent vatten med du Nöy-ring-metoden. Kontaktvinklar (Obs. att här behövs ytspänningarna från föregående mätningar.) Mät kontaktvinkeln för vatten på den hydrofila ytan. Mät kontaktvinkeln för vatten på den hydrofoba ytan.

9 Insamling av data för bestämning av kritisk micellbildningskoncentration (CMC) och Zisman-diagram. Gör följande för alla fem utspädda lösningar av diskmedel: Mät ytspänningen med Wilhelmy-plattan. Mät kontaktvinkeln på den hydrofila ytan. Använd nyss mätt ytspänning som indata. Beräkningar. Använd data från någon mätning av kontaktvinkel och se om du kan få rätt värde på kontaktvinkeln. Alla andra värden finns i indata. Välj en punkt mitt i diagrammet och arbeta med en avancerande mätning. Rita upp ytspänningen som funktion av koncentrationen av diskmedel (g/dm 3 ) och försök härur hitta ett värde på CMC. Använd även värdet för rent vatten med samma metod. Rita ett Zisman-diagram och försök bestämma kritiska ytspänningen för den hydrofila ytan. Redogörelse. Denna skall förutom sedvanlig introduktion (mål och metoder för laborationen, enbart ett par meningar) innehålla: Sammanfattning av data för ytspänningsmätningar för vatten. Vilken metod verkar bäst? Kontaktvinklars värden för vatten på hydrofil och hydrofob yta. Är värdena rimliga och hur förhåller sig värdena för avancerande resp. avtagande vätning. Varför ser kurvan ut som den gör? Beräkning enligt ekv. (6) av kontaktvinkeln på någon punkt i diagrammet. Märk tecken på krafterna. Bestäming av CMC för diskmedlet. Varför är värdet lite svårt att bestämma? Zisman-diagram och bestämning av kritiska ytspänningen för den hydrofoba ytan.