782630S Pintakemia I, 3 op

Koko: px

Aloita esitys sivulta:

Download "782630S Pintakemia I, 3 op"

Kai Niemelä
8 vuotta sitten
Katselukertoja:

1 782630S Pintakemia I, 3 op Ulla Lassi Puh Sposti: ulla.lassi@oulu.fi Tavattavissa: KE335 (ma ja ke ennen luentoja; Kokkolassa huone 444 ti, to ja pe) Prof. Ulla Lassi

2 Opintojakson toteutus ja kirjallisuus

3 Opintojakson sisältö (1) Johdanto opintojaksoon ja sen ydinsisältöön i (2) Nestepinnat (3) Neste-neste rajapinnat (4) Kiinteä-neste rajapinnat (5) Sovelluksia em. pinnoista (6) Yhteenveto

4 Viitekirjallisuutta Myers, D. (1999) Surfaces, Interfaces and Colloids: Principles and Applications, 2. edition, Wiley-VCH VCH, New York (kurssikirjana, soveltuvin osin) Atkins, Physical Chemistry, 8. edition (Soveltuvin osin) Somorjai, G.A., Introduction to Surface Chemistry and Catalysis, John Wiley & Sons, New York, Luennoitsijan luennoilla jakama materiaali

edition, Wiley-VCH VCH, New York (kurssikirjana, soveltuvin osin) Atkins, Physical

5 1. Johdanto opintojaksolle Opintojaksolla tarkastellaan teollisestikin merkittäviä rajapintoja (engl. interfaces); );pintoja joilla kemialliset reaktiot ja erilaiset fysikaaliset ilmiöt tapahtuvat Näitä fysikaalisia ilmiöitä ovat mm. pintajännitys, vaahtoaminen, aineiden sekoitus ja sekoittuminen, korroosio, kiteen kasvu (nukleaatio eli ydintyminen), i voitelu- ja kitkaominaisuudet pinnoilla Tällä i t j k ll t k t ll t i ii liitt iä j i t j Tällä opintojaksolla tarkastellaan nesteisiin liittyviä rajapintoja (ns. pehmeitä pintoja) lähtien molekyylitason ilmiöistä, kemiallisesta tai fysikaalis-kemiallisesta näkökulmasta tarkastellen.

pintajännitys, vaahtoaminen, aineiden sekoitus ja sekoittuminen, korroosio, kiteen kasvu (nukleaatio eli ydintyminen), i voitelu- ja kitkaominaisuudet

6 2. Nestepinnat Suurin osa (fysikaalisen) kemian ilmiöistä tapahtuu pinnoilla tai tarkemmin rajapinnoilla (engl. interfaces). Näitä ilmiöitä ovat mm. pintajännitys, pisaroiden muodostus ja vaahtoaminen, aineiden sekoitus ja sekoittuminen, korroosio, kiteen kasvu liuoksessa, voitelu- ja kitkaominaisuudet pinnoilla Käsitteellisesti on järkevää jakaa pintailmiöt eri faasien välisiin rajapintoihin, joita ovat *neste-kaasu *neste-neste *kiinteä aine-kaasu (HUOM. Pintakemia II) *kiinteä aine-neste *kiinteä-kiinteä (HUOM. Pintakemia II) rajapinnat

pintajännitys, pisaroiden muodostus ja vaahtoaminen, aineiden sekoitus ja sekoittuminen, korroosio, kiteen kasvu liuoksessa, voitelu- ja

7 Yleistä faasirajapinnoista Lähde: Somorjai, G.A., Introduction to Surface Chemistry and Catalysis, John Wiley & Sons, New York, 2010.

8 Termodynaaminen faasitasapainotila

9 Veden faasidiagrammi

10 2. Nestepinnat Pinnan vapaa energia määrää pinnan muodostumisen faasien välille Pinnat ovat luonteeltaan dynaamisia (esim. haihtuminen, tiivistyminen, liukeneminen, saostuminen jne.) Pinnalla ominaisuudet muuttuvat erityisesti kohtisuorassa pintaa vastaan Pintailmiöillä on runsaasti käytännön ja teollisia sovelluksia.

haihtuminen, tiivistyminen, liukeneminen, saostuminen jne.

11 2.1 Pintajännitys Pintajännitys on nesteen pinnan ilmiö, jonka vuoksi pinta käyttäytyy kuin joustava kalvo. Se mahdollistaa vesimittarien kaltaisten hyönteisten kävelyn veden pinnalla ja aiheuttaa muun muassa kapillaari-ilmiön. Jos tarkastellaan neste-kaasu rajapintaa (paineessa p ja lämpötilassa T, joka on alle nesteen kiehumispisteen), -> Molekyyli olisivat mieluummin sisällä nesteessä ja pinta on energeettisesti epäedullinen -> systeemi pyrkii asettumaan sellaiseen tilaan, jossa pinta minimoituu (pinnan energia minimoituu) -> vapaasti oleva neste muodostaa pisaran (huom. gravitaatio)

Jos tarkastellaan neste-kaasu rajapintaa (paineessa p ja lämpötilassa T, joka on alle nesteen kiehumispisteen), -> Molekyyli olisivat mieluummin

12 2.1 Pintajännitys Pintajännitys johtuu nesteen molekyylien välisistä vetovoimista, koheesiosta,,jotka puolestaan johtuvat molekyylien sisäisistä voimista. Nesteessä yleisesti jokaiseen molekyyliin vaikuttavat ympäröivät molekyylit joka suunnasta yhtä suurella voimalla, jolloin voimien summa on nolla. Nesteen pinnalla oleviin molekyyleihin vaikuttavat alapuolella olevien molekyylien vetovoimat (koheesiovoimat), mutta nesteen ulkopuolella ei ole molekyylejä tasaamassa näitä voimia. (Pinta ei ole energeettisesti edullisessa tilassa, joten pinnan energia pyrkii minimoitumaan)

Nesteessä yleisesti jokaiseen molekyyliin vaikuttavat ympäröivät molekyylit joka suunnasta yhtä suurella voimalla, jolloin voimien summa on

13 2.1 Pintajännitys Pintajännitystä mitataan newtoneissa per metri (N/m), ja symbolina on yleensä σ,, γ tai T. Dimensioanalyysillä voidaan osoittaa, että pintajännityksen yksikkö (N/m) on yhtäpitävä yksikön joulea per neliömetri (J/m 2 ) kanssa. Tämä tarkoittaa, että pintajännitys voidaan ajatella myös pintaenergiana. Kurssikirjan sivut (Surface tension)

Dimensioanalyysillä voidaan osoittaa, että pintajännityksen yksikkö (N/m) on yhtäpitävä

14 Pintajännitys --- käytännön esimerkki Vaatteita pestäessä pelkkä vesi ei helposti pysty tunkeutumaan pestäviin kuituihin suuren pintajännityksensä takia. Kun veteen lisätään pesuainetta, sen pintajännitys pienenee, jolloin vesi "kastelee" vaatteet paremmin. Lisäksi lämpötilan nousu pienentää pintajännitystä. Pintajännitys riippuu myös nesteestä: esimerkiksi veden pintajännitys on suuri, koska poolisten vesimolekyylien väliset vetysidokset ovat voimakkaita.

Kun veteen lisätään pesuainetta, sen pintajännitys pienenee, jolloin vesi "kastelee" vaatteet paremmin.

15 Pintajännitys ja pinnan vapaa energia Mikrotasolla tarkasteltuna pinnalla on paksuutta, joten pinnan kohdalla on myös painetta. -> Molekyyli olisivat mieluummin nesteessä ja pinta on energeettisesti epäedullinen -> systeemi pyrkii asettumaan sellaiseen tilaan, jossa pinta minimoituu (pinnan energia minimoituu) -> vapaasti oleva neste muodostaa pisaran (huom. gravitaatio), p Pisara on hyvin iso, joten pisaran kaarevuutta ei huomioida tässä

-> Molekyyli olisivat mieluummin nesteessä ja pinta on energeettisesti epäedullinen -> systeemi pyrkii

16 Nesteen ja kaasun välisen rajapinnan ilmiöitä

17 Pintajännitys ja pinnan vapaa energia Nesteen pintajännitys aiheutuu siitä, että pinnalla oleviin molekyyleihin l kohdistuu vetovoima poispäin pinnasta. Atomistisesti tarkasteltuna pinnalla olevat atomit ovat siis alikoordinoituneita.

molekyyleihin l kohdistuu vetovoima poispäin pinnasta.

18 Pintajännitys ja pinnan vapaa energia Pinnan laajenemisessa tehdään työtä liuoksen koheesivoimia vastaan.

19 Pintajännityksen lämpötilariippuvuus Pintajännitys ja energia riippuvat lämpötilasta, pisaran koosta ja nesteessä olevista epäpuhtauksista. p Kokeellisesti pintajännityksen lämpötilariippuvuus on määritelty seuraavasti: ELI Pintajännitys pienenee lämpötilan kasvaessa

20 Pintajännityksen mittaaminen Pintajännityksen mittaaminen on suhteellisen helppoa (Huom. tehty fys. kem. laboratoriotöissä)

21 Dynaaminen pintajännitys

22 Pintajännitys liuoksissa (seoksissa)

23 Pintajännitys vesiliuoksissa Epäorgaaniset suolat Orgaaniset liuottimet vedessä

Samankaltaiset tiedostot

KEMIAN MIKROMAAILMA, KE2 VESI

KEMIAN MIKROMAAILMA, KE2 VESI VESI KEMIAN MIKROMAAILMA, KE2 Johdantoa: Vesi on elämälle välttämätöntä. Se on hyvä liuotin, energian ja aineiden siirtäjä, lämmönsäätelijä ja se muodostaa vetysidoksia, jotka tekevät siitä poikkeuksellisen