Jan Drzymała

ZJAWISKA MIĘDZYFAZOWE

A. POMIAR NAPIĘCIA POWIERZCHNIOWEGO

Cząsteczki znajdujące się w głębi cieczy podlegają, symetrycznie ze wszystkich stron, siłom przyciągania wywieranym przez otaczające cząsteczki. Cząsteczki znajdujące się na powierzchni cieczy są silniej przyciągane przez ciecz niż przez gaz. Wskutek tego występuje zjawisko wciągania cząsteczek z powierzchni w głąb cieczy, czego następstwem jest istnienie napięcia powierzchniowego. Napięcie powierzchniowe decyduje o wznoszeniu się cieczy w kapilarach i tworzeniu się menisku. W wyniku napięcia powierzchniowego każda ciecz stara się przybrać taki kształt, aby mieć jak najmniejszy stosunek powierzchni do objętości, czyli kształt kuli.

Odkręć lekko kurek wodociągowy aby woda wypływała kroplami. Obserwuj narastanie kropli. Za każdym razem gdy kropla uzyskuje odpowiednią masę, odrywa się od kurka wodociągowego i spada w dół. Dzieje się to wtedy, gdy ciężar kropli przewyższa siły napięcia powierzchniowego. Gdy średnica wylotu kurka wynosi 2r, wtedy siła napięcia powierzchniowego, działająca po obwodzie koła wzdłuż którego kropla styka się z kurkiem wynosi 2 Π r γ gdzie γ jest napięciem powierzchniowym. W chwili spadania siła ta równa się ciężarowi kropli o masie m:

2Πrγ=mg (l)

W równaniu tym Π =3,14 a g jest przyśpieszeniem ziemskim równym 981 cm/s . Jednostką napięcia powierzchniowego γ jest dyna/cm (w układzie SI jest mN/m (miliniuton na metr)).

WYKONANIE ĆWICZENIA

Czyste małe naczyńko wagowe bez wieczka, uprzednio zważone, podstawiamy pod wylot kurka i chwytamy do niego np. 50 kropel wody. Za pomocą wagi wyznaczamy ich masę, a podzieliwszy ją przez 50 otrzymamy masę jednej kropli. Linijką lub suwmiarką mierzymy średnicę wewnętrzną wylotu kurka. W oparciu o równanie l wyliczamy napięcie powierzchniowe wody.

Przykładowe wyniki pomiarów dla wody:

liczba spadających kropel n = 50

ich masa M=9.950g

masa jednej kropli m = M/n =0.1990 g,

średnica wylotu kurka 2r = 9.5 mm,

przyśpieszenie ziemskie g = 981 cm s^-2

napięcie powierzchniowe wody

γ= m g/ 2 π r = 0.1990(g) 981(cm/s²)/(3.14 x 0.95cm) - 65 g cm/(cm s²) = 65 mN/m.

Zwróć uwagę, że 1N=1 kg(l m/s²) a jeden miliniuton=lm g s^-2. Dokładna wartość napięcia powierzchniowego wody wynosi 72,8 mN/m.

Napięcie powierzchniowe innych cieczy można wyznaczyć podobnie formując krople cieczy za pomocą pipety. Zmierz napięcie powierzchniowe innej cieczy np. oleju napędowego.

B. POMIAR KĄTA ZWILŻANIA

Gdy kroplę wody umieści się na powierzchni ciała stałego to w zależności od właściwości tego ciała kropla rozpłynie się bądź pozostanie w postaci kropli. Zachowanie się kropli na powierzchni ciał stałych zależy od sił działających na wszystkich trzech granicach fazowych występujących w rozpatrywanym układzie, to jest na granicy faz woda/ciało stałe, woda/powietrze, oraz ciało stałe/ powietrze. Siły te wynikają z oddziaływań polarnych (dipole trwałe, dipole wyindukowane), dyspersyjnych (dipole chwilowe) oraz specyficznych (wiązania wodorowe, oddziaływania hydrofobowe) między atomami, Jonami lub cząsteczkami w sąsiadujących fazach.

Równanie opisujące zależność kąta jaki tworzy siedząca kropla na powierzchni ciała stałego od stanu energetycznego granic fazowych opisuje równanie Younga, które ma postać:

γ_sp= γ_sw +γ_wpcosΘ (2)

gdzie: γ_sp oznacza energię międzyfazową na granicy faz ciało stałe (s)-powietrze (p), γ_sw oznacza energię międzyfazową na granicy faz ciało stałe (s) - woda (w), +γ_wp oznacza energię międzyfazową (dla cieczy równą napięciu powierzchniowemu) na granicy faz woda - powietrze, zaś Θ oznacza kąt zwilżania zwany również kątem skrajnym.

Istotę równania Younga pokazuje rys. l. Zgodnie z rys. l kąt zwilżania zawarty jest między powierzchnią ciała stałego znajdującego się w kontakcie z wodą a styczną do kropli poprowadzoną od punktu styku trzech faz Substancje, których kąt zwilżania jest równy zeru są nazywane hydrofilnymi zaś te, których kąt zwilżania jest większy od zera nazywane są hydrofobowymi. Do substancji hydrofilnych zalicza się wiele popularnych minerałów wśród nich kwarc, kalcyt i magnetyt zaś siarka, grafit i węgiel są hydrofobowe. Najbardziej hydrofobowe substancje osiągają kąt zwilżania równy 110-112° (parafina, wosk. Teflon).

γ_sp

Rys. l. Kropla na hydrofobowej powierzchni i graficzna reprezentacja równania Younga.

WYKONANIE ĆWICZENIA

Na czystą, wypolerowaną powierzchnię kawałka siarki, teflonu, szkła i gipsu nanieś za pomocą pipety małą kroplę wody. Dokładnie obejrzyj kształt kropli oraz kąt jaki tworzy kropla wody z powierzchnią w miejscu styku trzech faz tj. powietrza, wody i ciała stałego. Odwzoruj kształt kropli na papierze milimetrowym i narysuj styczną do powierzchni kropli z miejsca styku trzech faz. Za pomocą znanych zależności trygonometrycznych wyznacz kąt zwilżania. Porównaj kąty zwilżania dla trzech badanych substancji i opisz ich hydrofobowość. Uszereguj badane substancje według ich wzrastającej hydrofobowości.

C. FLOTOWALNOŚĆ SUBSTANCJI

Flotacja (rys. 2) jest procesem, w którym pęcherzyk gazu łączy się z hydrofobowym ziarnem, a utworzony zespół ziarno-pęcherzyk gazu jest wynoszony w kierunku powierzchni cieczy. Prawdopodobieństwo flotacji zależy od szeregu etapów elementarnych, z których najważniejszymi są prawdopodobieństwo zderzenia pęcherzyka z ziarnem, prawdopodobieństwo przytwierdzenia się pęcherzyka do ziarna oraz prawdopodobieństwo utworzenia trwałego agregatu ziamo-pęcherzyk. Szansa zajścia poszczególnych etapów flotacji zależy od około 100 parametrów fizykochemicznych. Wśród nich najważniejszymi są hydrofobowość oraz ciężar ziarna. Flotacja nie zachodzi, gdy ziarno jest hydrofilne lub gdy jest za lekkie (prawdopodobieństwo przytwierdzenia jest bardzo małe), a także gdy ziarno jest za ciężkie (zespół pęcherzyk-ziarno ulega rozerwaniu).

Hydrofobowość lub hydrofilność jest charakterystyczną cechą każdego materiału i wynika ona z

właściwości (stanów energetycznych) granic fazowych uczestniczących w tworzeniu agregatu ziamo-pęcherzyk tak, jak to pokazano na rys.2. i wcześniej na rys. l

Rys. 2. Flotacja

WYKONANIE ĆWICZENIA

Do zlewki o objętości 250 cm³ wlej około 120 cm³ wody destylowanej i dodaj l g substancji, której flotowalność chcesz badać. Ziarna poddawane flotacji powinny mieć rozmiar pomiędzy 0,5 a 2 mm. Całość mieszaj przez pięć minut, a następnie przenieś zawiesinę (woda wraz z ziarnami) do flotownika Hallimonda, który tymczasem powinien być w pozycji poziomej i powinien być podłączony do pompki powietrza. Następnie przekręć aparat Hallimonda do pozycji pionowej z równoczesnym włączeniem stopera. Flotacja rozpoczyna się, gdy pierwszy pęcherzyk powietrza przejdzie przez warstwę substancji znajdującej się w aparacie. Dokonaj pomiaru szybkości flotacji przez pomiar czasu flotacji i objętości wyflotowanego minerału. Flotację prowadź przez 5 minut. Poddaj flotacji próbkę siarki oraz niezależnie próbkę kwarcu.

Po zakończeniu doświadczenia przepłucz aparat Hallimonda wodą do czysta, ustaw go w pozycji poziomej i dopiero wtedy wyłącz przepływ powietrza. Zużyty minerał przenieś do specjalnej zlewki z odpowiednim napisem.

Na podstawie otrzymanych wyników sporządź wykres wychód minerału w funkcji czasu oraz omów właściwości flotacyjne badanych substancji. Jeżeli dokonałeś dla tych substancji pomiarów kąta zwilżania, to omów także zależność między hydrofobowością a flotowalnością.

poziomej i dopiero wtedy wyłącz przepływ powietrza. Zużyty minerał przenieś do specjalnej zlewki z odpowiednim napisem.

Na podstawie otrzymanych wyników sporządź wykres wychód minerału w funkcji czasu oraz omów właściwości flotacyjne badanych substancji. Jeżeli dokonałeś dla tych substancji pomiarów kąta zwilżania, to omów także zależność między hydrofobowością a flotowalnością.

---