Springen naar inhoud

oppervlaktespanning en oppervlakte-energie


  • Log in om te kunnen reageren

#1

Don Carbazone

    Don Carbazone


  • >250 berichten
  • 552 berichten
  • Ervaren gebruiker

Geplaatst op 17 april 2009 - 21:16

Hallo,

ik vraag mij af of de oppervlaktespanning en de oppervlakte-energie van een vast oppervlak gelijk zijn in numerieke waarde? Het is mij nog niet compleet duidelijk.

Met vriendelijke groeten

Dit forum kan gratis blijven vanwege banners als deze. Door te registeren zal de onderstaande banner overigens verdwijnen.

#2

hzeil

    hzeil


  • >1k berichten
  • 1379 berichten
  • Ervaren gebruiker

Geplaatst op 17 april 2009 - 22:59

Mijn antwoord is: Ja.

Maar dan moet de vaste stof wel op een perfecte wijze gekristalliseerd zijn. De vraag is echter in hoeverre het model van het oneindig dunne, gespannen vlies over het oppervlak ook voor vaste stoffen van toepassing is.

Bij vaste stoffen zijn er vaak plaatselijk variabele inwendige spanningen die ook in de diepte gaan. Dan kunnen we eigenlijk niet meer spreken van oppervlakte energie. Dan spreken we liever over roosterenergie.
Uitleggen is beter dan verwijzen naar een website

#3

Don Carbazone

    Don Carbazone


  • >250 berichten
  • 552 berichten
  • Ervaren gebruiker

Geplaatst op 18 april 2009 - 02:54

Mm. Ik ben nu al een lange tijd boeken aan het lezen over oppervlaktechemie, maar ik geraak er toch niet al te wijs uit. Zeker niet na uw antwoord te lezen. Ik dacht tot nu toe het volgende:

oppervlaktespanning: kracht per eenheid van lengte van het grensvlak. Deze kracht wordt veroorzaakt door een onevenwichtig krachtveld thv het grensvlak veroorzaakt door adhesie- en cohesiekrachten.

oppervlakte-energie: arbeid vereist per eenheid van oppervlakte om het oppervlak te vergroten. Deze arbeid is nodig om de cohesiekrachten te overwinnen. In sommige gevallen overtreffen de adhesiekrachten de cohesie bij het vormen van een grensvlak zoals het vast-vloeistof en vloeistof-vloeistof grensvlak. Dit uit zich in een spontaan proces: de vloeistoffen zijn mengbaar en de vaste stof laat zich spontaan bevochtigen door de vloeistof. Dit komt door een negatieve oppervlakte-energie, wat zich uit in een spontane vergroting van het grensvlak. Dit wordt thermodynamisch bewezen door de oppervlakte-energie te correleren met de verandering in Gibbs vrije energie.

Bij vloeistof-gas en vloeistof-vloeistof grensvlakken is de oppervlaktespanning numeriek gelijk aan de oppervlakte-energie omdat enkel de cohesie- en adhesiekrachten in rekening gebracht moeten worden bij het vormen van het grensvlak. Bij vast-gas en vast-vloeistof grensvlakken daarentegen verschilt de oppervlakte-energie van de oppervlaktespanning omdat ook de plastische deformatie van de vaste fase in rekening gebracht moet worden.

Vindt u mijn redenering correct? Ik heb mij gebaseerd op vergelijkingen zoals die van Young, Duprť en de spreidingscoŽfficiŽnt en door het lezen van de boeken:

Surface Chemistry of Solid and Liquid Interfaces van H. Yildirim Erbil
Principles of colloid and surface chemistry van Paul C. Hiemenz

De termen oppervlaktespanning, oppervlakte-energie en oppervlakte vrije energie worden vrij frequent door elkaar gehaald waardoor ik soms niet meer wijs geraak uit mijn eigen denken...

#4

hzeil

    hzeil


  • >1k berichten
  • 1379 berichten
  • Ervaren gebruiker

Geplaatst op 20 april 2009 - 17:57

De keuze tussen de begrippen oppervlaktespanning of oppervlakte energie moet je maken op basis van het exeriment waar je mee bezig bent of waar je aan denkt. Als je er met denken niet meer uit komt ga dan eens wat doen.

Bijvoorbeeld bellenblazen, een waterdruppel op een glazen plaat brengen en laten botsen met een oliedruppel. Op een schone plaat en een vette plaat. Je wordt wijzer door er goed naar te kijken.
Let op het tegen elkaar aan zitten van zeepbellen Is de luchtdruk in al die belletjes die je ziet gelijk? Zo niet hoe verklaar je dan de stabiliteit van het bellensysteem?

Don Carbazon, laat je dus eerst eens inspireren door wat je ziet en kom daarna weer eens terug bij de theorie.
Uitleggen is beter dan verwijzen naar een website

#5

Don Carbazone

    Don Carbazone


  • >250 berichten
  • 552 berichten
  • Ervaren gebruiker

Geplaatst op 20 april 2009 - 19:44

Ik studeer die materie in om mijn thesis theoretisch te onderbouwen. Ik heb u al eens gemaild daarover. Het gaat dus om het bevochtigen van een keramisch materiaal met een waterige oplossing. Door het meten van contacthoeken krijgen we een kwantitatief idee van de bevochtiging. Ik schrijf dus een hoofdstuk over grensvlakfenomenen en meer bepaald over bevochtiging.

Na het lezen van die boeken en vele andere literatuur zit ik dus nog met bovenvermelde problematiek. In de vergelijking van Young ivm de contacthoek, gaat het daar om grensvlakspanningen of grensvlak-energieŽn? Ik hoop ook antwoord te krijgen op de rest van mijn vragen, dan is mijn verhaal af en heb ik een mooie theoretische bijdrage geleverd aan mijn thesis.

Alleszinds heeft u mij wel al veel geholpen, maar hopelijk begrijpt u mij dat ik wel gebrand ben op antwoorden op mijn vragen. Er is weinig kennis van deze materie bij de mensen rondom mij.

Met vriendelijke groeten en hopend op respons

#6

hzeil

    hzeil


  • >1k berichten
  • 1379 berichten
  • Ervaren gebruiker

Geplaatst op 20 april 2009 - 22:01

Don Carbazone,

Je blijft dus problemen houden met de begrippen oppervlaktespanning en oppervlakte-energie. Hoort de wet van Young nu bij het ene of het andere?

Welnu, ik raad je aan het toch te relateren aan het vectoriele krachtenevenwicht rondom de driefasengrens L, G. en S. Zo vind je het in de leerboeken. Je kunt voor dit krachtenevenwicht de tekening gebruiken van de van onderen afgeplatte bol vloeistof, liggende op een horizontaal vlak. Met een speciaal randhoek metertje kun je daaraan de randhoek meten.

Bij een goede bevochtiging van de onderliggende plaat zakt de druppel helemaal in elkaar en nadert de randhoek tot bijna nul graden. Dat gebeurt met een druppel water op een hydrofiel oppervlak.
Bij een slechte bevochtiging is de afplatting van de waterbol aan de onderzijde maar heel gering. De randhoek is dan heel groot, vaak boven 90o. Denk aan een druppel water op PTFE (=Teflon).

Als de zwaartekracht groter zou worden zakt de druppel wat in elkaar. Maar tijdens dit inzakken verandert de randhoek niet. Want die wordt alleen bepaald door stofeigenschappen.

Tot nu toe heb ik het begrip oppervlakte energie niet gebruikt. Dat is voor de modelbeschouwing van Young ook niet nodig en ik zou het hierbij kunnen laten.

Maar voor anderen die dit lezen zal ik het energieverhaal toch maar geven. Water op een hydrofiel oppervlak heeft een grensvlak L/S met een heel lage energie per oppervlakte eenheid. Als dit oppervlak groot wordt neemt de (vrije) energie maar weinig toe. Maar de grootten van de grensvlakken L/G en G/S veranderen dan ook.
Er komt een evenwicht als de drie energieen samen minimaal zijn.
Soms zijn grensvlakenergien heel groot. Bij voorbeeld bij het kwik/teflon grensvlak. Dan is het aanrakingsoppervlak minimaal en mogen andere, minder energetische grensvlakken (L/G en S/G) wel wat groter worden. Ook de zwaartekracht speelt hier nog mee. Want zonder zwaartekracht zou de kwikdruppel bijna gaan zweven. Hier houdt Young geen rekening mee.


De vraag die je mij stelde, (oppervlaktespanning of oppervlakteenergie?) zou ik ook met een tegenvraag kunnen beantwoorden:

Als ik een steen oppak en loslaat waardoor valt hij dan naar beneden? Moet je dit vallen verklaren met een kracht of met een energiebeschouwing?
Welnu, het kan allebei. De kracht mg trekt hem naar beneden en de potentiele energie mgh streeft naar een minimum. Van het eerste antwoord kom je heel gemakkelijk op het tweede. Zo kom je ook gemakkelijk van de oppervlaktespanning tot een beschouwing over de oppervlakte energie.
Hopenlijk lukt het je nu het hoofdstuk voor je dissertatie te schrijven. Misschien kan het een kort verhaal zijn. Want het gaat hier niet om echt nieuwe wetenschap.
Uitleggen is beter dan verwijzen naar een website

#7

Don Carbazone

    Don Carbazone


  • >250 berichten
  • 552 berichten
  • Ervaren gebruiker

Geplaatst op 20 april 2009 - 22:32

Tot nu toe deel ik je antwoord volledig. Hartelijk bedankt daarvoor. Echter nog twee concrete vragen:

-) kan de grensvlakenergie een negatieve waarde hebben? Volgens mij wel: de Gibbs energie daalt dan bij het vormen van het grensvlak, wat duidt op een spontaan proces: neem bv. twee vloeistoffen met een negatieve grensvlakenergie en ze zullen spontaan mengen. Dit komt omdat de adhesiekrachten sterk genoeg zijn en op die manier de cohesiekrachten overwinnen.

-) bij het afleiden van de oppervlakte-energie, namelijk het vervormen van een vloeistofoppervlak waarbij de arbeid berekend wordt, is het duidelijk dat de oppervlaktespanning numeriek gelijk is aan de oppervlakte-energie. Hoe zit het dan juist met vaste stoffen?

#8

hzeil

    hzeil


  • >1k berichten
  • 1379 berichten
  • Ervaren gebruiker

Geplaatst op 21 april 2009 - 18:11

Dus nog twee vragen:
1. Kan de grensvlak energie negatief zijn? Welnu, deeltjes in een grensvlak zijn minder omhuld dan in de bulk van de vloeistof of de vaste stof en hebben daardoor een hogere energie dan die in het midden van het materiaal.
Eigenlijk wil een stof geen oppervlak hebben en alleen maar bulk zijn. Daarom coalesceren veel kleine druppels tot enkele grote, lossen veel kleine vaste deeltjes op om enkele grotere deeltjes te vormen.
Maar vaak schiet de kinetiek daarvoor te kort en neemt de deeltjesgrootte van poeders niet toe tijdens het bewaren. Maar een wit neerslag van bariumsulfaat in heet water neemt wel toe in deeltjesgrootte via een proces van oplossen en neerslaan. Daar werkt het dus wel.

Ja, inderdaad. Als twee vloeistoffen als alcohol en water affiniteit tot elkaar hebben komt er geen grensvlak meer en gaan ze mengen.

De volgende zin van jou is voor mij echter onbegrijpelijk:
De adhesiekrachten zijn sterk genoeg om op die manier de cohesiekrachten te overwinnen.
Ik denk dat je deze zin moet verduidelijken. Gaat het hier nu ineens over adsorbtie?

2. Je tweede vraag over oppervlakte energie en oppervlaktespanning bij vaste stoffen is eenvoudig te beantwoorden: Ja.
Maar in en aan een vaste stof zijn er vaak mechanische spanningen zodat een oppervlaktespanning niet overal gelijk hoeft te zijn. En dat geldt dan ook voor de oppervlakte energie.
Uitleggen is beter dan verwijzen naar een website

#9

Don Carbazone

    Don Carbazone


  • >250 berichten
  • 552 berichten
  • Ervaren gebruiker

Geplaatst op 21 april 2009 - 19:17

Stel nu het vormen van een vast-vloeistof grensvlak bij bevochtiging:

Als de adhesiekrachten tussen de moleculen van de vaste stof en de vloeistof sterk zijn, zodanig dat het energetisch gunstig is om de cohesiekrachten in de vloeistoffase te overwinnen, dan krijg je spontane bevochtiging. Dit wordt toch ook bewezen door de uitdrukking voor de spreidingscoŽfficiŽnt:

S = Wa - Wc

waarbij Wa de adhesiearbeid voorstelt en Wc de cohesiearbeid. Een positief teken van de spreidingscoŽfficiŽnt duidt op een spontane bevochtiging. Dat bedoelde ik. Wat volgens mij ook voortvloeit uit een negatieve grensvlak-energie. Er komt meer energie vrij bij het vormen van het grensvlak, tgv de vorming van adhesiekrachten, dan dat er energie geconsumeerd wordt, tgv het breken van de cohesiekrachten.

Dit is mijn redenering.

#10

joepiedepoepie

    joepiedepoepie


  • >250 berichten
  • 311 berichten
  • Ervaren gebruiker

Geplaatst op 23 april 2009 - 16:51

De oppervlakte-energie is gerelateerd aan de oppervlaktespanning volgens:

oppervlakte-energie = oppervlaktespanning x (verandering in oppervlakte)

De oppervlakte-energie kan zowel de Helmholtz energie zijn (dA) of de Gibbs energie (dG), afhankelijk van de omstandigheden.

Bron: Atkins, Physical Chemistry, 6th edition

#11

Don Carbazone

    Don Carbazone


  • >250 berichten
  • 552 berichten
  • Ervaren gebruiker

Geplaatst op 23 april 2009 - 17:26

Hartelijk bedankt!!

iemand die mijn laatste redenering deelt?

Veranderd door Don Carbazone, 23 april 2009 - 17:27






0 gebruiker(s) lezen dit onderwerp

0 leden, 0 bezoekers, 0 anonieme gebruikers

Ook adverteren op onze website? Lees hier meer!

Gesponsorde vacatures

Vacatures