Yüzey Gerilimi – Adezyon – Kohezyon
YÜZEY GERİLİMİ
Yüzey Gerilim Kuvvetleri
Bütün sıvılarda şiddeti sıvının türüne göre değişen moleküller arası çekim kuvvetleri (kohezyon kuvvetleri) bulunmaktadır. Sıvılarda iç kısımlarda (sıvının çeşitli derinliklerinde bulunan) moleküller çevresindeki komşu moleküller tarafından her yönden eşit olarak , diğer bir ifadeyle küresel simetrik şekilde, çekim kuvvetlerinin etkisi altında bulunurlar. Böylece sıvı içerisindeki bir moleküle etkiyen kuvvetler birbirlerini dengeler. Oysa sıvının yüzeyinde bulunan bir molekül (sıvı- buhar ara yüzeyi göz önüne alındığında) buhar fazındaki yoğunluk sıvı fazdan düşük olduğundan, sadece yüzeyin altındaki moleküller tarafından sıvının içerisine doğru çekilirler. Sıvı içerisindeki moleküller, yüzeydekilere göre daha fazla çekim kuvvetinin etkisi altında bulunduklarından potansiyel enerjileri, yüzeydeki moleküllerin potansiyel enerjilerinden daha düşüktür. Çünkü genel olarak bilinmektedir ki bir cisme etki eden çekim kuvvetleri ne kadar fazla ise cismin potansiyel enerjisi o kadar düşüktür. Şekil 1 de buhar ile temasta bulunan bir sıvı sistemi görülmektedir.
Şekil1. Sıvı-buhar ara yüzeyi Molekülleri sıvının iç kısmında yüzeye getirerek yüzeyi genişletmek için, sistemin üzerine iş yapılması gereklidir.
Sıvının iç kısmındaki molekülleri yüzeye çıkararak sıvının serbest yüzeyini artırmak için, sıvı molekülleri arasındaki kohezyon kuvvetlerine karşı iş yapılmalıdır. Bunun sonucu olarak sıvının yüzey bölgesinin molar serbest enerjisi , sıvının diğer kısmının molar serbest enerjisinden yüksektir. 1805 Thomas Young sıvı yüzeyinin mekanik özelliklerinin, yüzey üzerine gerilmiş hayali bir zarın mekanik özellikleri ile ilişkilendirilebileceğini gösterdi. Böylece sıvı yüzeyi moleküller arasında mevcut olan kohezyon kuvvetlerinin sonucu olarak , bir bakımdan gerilmiş hayali bir zar gibi daima büzülmek isteyen ve mümkün olan en küçük yüzeyi almak isteyen 1molekül kalınlığında çok ince zar gibi düşünülebilir.
Bir sıvının yüzey gerilimi (g ); yüzey üzerinde sıvının yüzey genişlemesine zıt olan birim uzunluk başına kuvvetdir. Yüzey gerilimi, yüzeye paralel olarak etkir. Yüzey geriliminin SI sistemindeki birimi metre başına Newton (Nm-1) veya (1J=Nm olduğundan) Jm-2 dir. CGS sistemindeki birimi ise dyn/cm yada erg/cm2 dir. Örneğin suyun yüzey gerilimi 20 0C de 72.8 dyn/cm veya 72.8 erg/cm2 olduğundan suyun yüzeyini 20 0C de 1cm2 genişletebilmek için 72.8 erglik bir enerjiye veya 1cm boyunca sıvı yüzeyinde yer alan moleküller arası ilişkileri kesebilmek için 72.8 dyn lik bir kuvvete ihtiyaç var demektir.
Yüzey Gerilimi nasıl değişir?
Sıvı üzerindeki gaz yoğunluğu çok fazla arttırıldığında veya bu sıvı üzerine bu sıvıda çözünmeyen bir başka sıvı ilave edildiğinde sıvının yüzey gerilimi karşı fazdaki moleküllerle gireceği moleküler etkileşmeler sonucu bir miktar azalacaktır.
Çoğu sıvıların yüzey gerilimleri artan sıcaklıkla doğrusal bir şekilde azalır(bazı erimiş metaller hariç ) ve moleküller arası kohezyon kuvvetlerinin sıfıra yaklaştığı kritik sıcaklık civarında çok küçük bir değer olur.
Saf bir madde içerisinde bir madde çözünüyorsa çözünen maddenin ve çözücünün karakterine bağlı olarak yüzey geriliminin değiştiği gözlenmiştir. Ayrıca yapılan incelemelerle çözünen maddenin sıvının iç kısımlarındaki konsantrasyonun birbirinden farklı olduğu gözlenmiştir ki bu beklenen bir olaydır. Yüzeyin cm2 sinde bulunan çözünmüş maddenin çözeltinin iç kısımlarında fazlalığı yada eksikliği aşağıdaki eşitlik yardımıyla bulunabilir;
C=Hazırlanan çözeltinin konsantrasyonu
R=İdeal gaz sabiti
T=Sıcaklık
g =Yüzey gerilimi
Bu eşitliğe aynı zamanda Gibbs adsorbsiyon denklemi denir
Konsantrasyon ile yüzey gerilimi azalıyorsa (Yunanca gama harfidir) pozitif olur ve çözünen maddenin fazlası yüzeyde toplanır. Konsantrasyon ile yüzey gerilimi artıyorsa negatif olur ve çözünen maddenin konsantrasyonu çözeltinin iç kısımlarında daha fazla olur.(Yüzeyde enerji fazla! İç kısımlardaki moleküller yüzeyde bulunmak istemezler ve iç kısımlarda toplanırlar.)
Gibbs adsorbsiyonu bulunduktan sonra ;
N=Avogadro sayısı
eşitliği yardımıyla yüzeyde adsorblanan bir molekülün kapladığı alana geçilebilir.
Sıvı – Sıvı Arayüzey Gerilimi
Birbiri içinde çözünmeyen iki sıvı ele alalım. Bunların birbirlerine temas noktasında bir yüzey gerilimi vardır ve bu nokta ne üstteki ne de alttaki sıvıya benzemektedir. Bu sıvıların her birinin ayrı ayrı yüzey gerilimleri toplamı bu iki sıvının oluşturduğu ara yüzey geriliminden her zaman büyüktür.
Her sıvının yüzey geriliminde bir azalma olacağına göre bir başka deyişle sıvılar yüzey serbest enerjilerini azalttıklarına göre bu sıvıları birbirinden ayırabilmek için bir iş yapmak gerekir. Sıvılar farklı ise bu işe adezyon işi denir. Ve aşağıdaki gibi hesaplanır;
Bu iş sıvılar aynı ise kohezyon işi olarak adlandırılır.
Aslında kohezyon işi, bir sıvıyı ikiye bölüp yeni bir yüzey oluşturulabilmek için verilmesi gereken enerji miktarıdır.
Adhezyon ve kohezyon ayrıntılı olarak nedir? Islaklık hissinin bu durumlarla bir alakası var mıdır? (Yasin Mercan)
Kısa ve genel bir tanım ile adhezyon, iki farklı maddenin molekülleri arasındaki çekim kuvvetine verilen isimdir. Kohezyon ise, maddenin kendi molekülleri arasındaki çekim kuvvetidir. Klasik örnek olarak içinde su bulunan ince bir cam tüpü düşünecek olursak, burada suyun kendi molekülleri arasında “kohezyon” kuvvetinden, cam ve su arasında da bir “adhezyon” kuvvetinden bahsedebiliriz.
Sıvıların ince tüpler içerisindeki yükselme veya alçalma hareketi de, tamamen bu iki kuvvet arasındaki etkileşim ile bağıntılı olan yüzey gerilimi ile ilişkilidir. İnce tüpler içerisinde ayrıca, yüzey gerilimi nedeniyle sıvının en üst seviyesinde bir de içbükey veya dışbükey bir kavis gözlenir.
KAPİLER ETKİ
Akışkanın molekülleri arasındaki çekim iki şekilde gerçekleşir:
- 1. Adhesion : başka bir kitleye tutunmak için
- 2. Cohesion : akışkanın molekülleri arasında
Bir sıvının kapiler bir tüp içinde yükselmesi veya alçalması yüzey gerilimi tarafından kontrol edilir ve adhezyon ve kohezyonun büyüklüklerine bağlıdır. Eğer adhezyon > kohezyon ise sıvı tüp içinde yükselir, kohezyon > adhezyon ise sıvı tüp içinde alçalır.
Islatma ve Temas Açısı
Adhezyon > Kohezyon Islatan sıvı
Kohezyon > Adhezyon Islatmayan sıvı
Şekil (a) da katı bir yüzeyi ıslatan, (c) de ise ıslatmayan sıvı örnekleri gösterilmektedir. Buradaki q açısı temas açısı olarak adlandırılır ve sıvının ıslatma özelliğinin bir ölçüsüdür. Mükemmel bir ıslatma için temas açısının q=0° olması gerekir. Bu durumda sıvı katı yüzey üzerine ince bir film halinde yayılır. q=180° durumu pratikte gözlenmez. Damla üzerine etki eden yerçekim kuvveti damlayı katı yüzeyine çeker. Teflon üzerinde su, cam üzerinde civa bu duruma örnektir. Eğer q<90° ise sıvının katı yüzeyi ıslattığı, q>90° ise ıslatmadığı söylenebilir. q<20° güçlü bir ıslatma, q>140° ise güçlü bir ıslatmama özelliğini gösterir.
Kontak açısı (q) sıvı ve katı yüzeyin bir fonksiyonudur. Su için temiz bir cam yüzeyde q » 0°’dir.
Kapiler tüp içindeki yükselme veya alçalma kuvvet denkliği ile hesaplanabilir.
Şekil. Kapiler cam tüplerde kapiler aksiyonu. (1) ıslatan sıvı (su), (2) ıslatmayan sıvı (civa)
1.Kapiler Yükselme Metodu;
Temas açısı ve kapilarite:
Bir katı yüzeyi ile temastaki bir sıvı yüzeyi bir açı oluşturur. Temas açısı adı verilen bu açının büyüklüğü , sıvının kendi molekülleri arasındaki çekim kuvvetleri (kohezyon kuvvetleri) ile sıvı katı arası çekim kuvvetlerinin (adezyon kuvvetleri) göreceli büyüklüğüne bağlıdır. Kohezyon kuvvetlerinin büyüklüğü, adezyon kuvvetlerinin büyüklüğünden ne kadar fazla ise, sıvı katı arasındaki temas açısı da o denli büyük olur. Diğer bir ifade ile büyük bir temas açısı sıvı katı çekim kuvvetlerinin azlığının , küçük bir temas açısı ise bu kuvvetlerin büyük olmasının bir göstergesidir. Ayrıca temas açısının büyüklüğü, katı yüzeyin düzlüğü ve temizliğinden başka sıvının saflık derecesine de bağlıdır. Saf ve ıslatma maddesi içeren (yüzey aktif madde) su damlalarının bir parafin yüzeyindeki durumları aşağıdaki şekilde gösterilmiştir.
(a)Saf su damlasının (b) ıslatma maddesi eklenmiş su damlasının parafin yüzeyinin şekli
Temas açısı 90 0C den küçük ise sıvı kabı ıslatır, büyük ise ıslatmaz. Bir kapiler içerisindeki sıvının kapiler duvarları ile yaptığı açı 90 0C den küçük ise sıvı kapiler yüzeyini ıslatır ve sıvının yüzeyinde iç bükey bir menisküs oluşur. Temas açısı 90 0C den büyük olması halinde sıvı kapileri ıslatmaz ve dış bükey bir menisküs oluşur.
Metod:
Yukarıdaki şekilde görüldüğü gibi sıvı kabın içine camdan bir kapiler konulmuştur. Ve sıvı bu kapilerin içerisinde yükselir. Kapilerde yükselerek cidarı ıslatan tüm sıvıların yüzey gerilimlerinin belirlenmesinde bu yöntem kullanılabilir.
Kılcal içindeki sıvının yükselmesi toplam yüzey alanını azaltır ve serbest enerji minumum bir değere düştüğünde dengeye ulaşılır. Sıvının daha fazla yükselmesi durumundaysa yükselmeyle yüzey alanındaki azalma ile kazanılandan daha fazla serbest enerji sıvının kolondan yükselmesiyle kaybedilir.
Sıvının dl kadar yükselmesiyle yüzey alanındaki azalma 2p rdl olurken buna karşı gelen yüzey enerjisindeki azalma ;
dGy= g dA= g 2p rdl
olacaktır. I yüksekliğinde r yoğunluğundaki sıvının bir miktar yükselmesiyle p r2 dl lik bir hacim artışı meydana gelir ki böylece serbest enerjideki değişim
dGa= p r2r ldl
olur. İki serbest enerji değişimi biribirine eşit olduğunda yükselme durur. Bu denge anında hesaplanan yüzey gerilimi;
dGy= dGa
g 2p rdl=p r2r ldl
yazılabilir. Eşitliğin sağında yer alan değişkenler ölçülebileceğinden g değerinin büyüklüğü belirlenebilir. Bu eşitlik sıvının tamamıyla camı ıslattığı kabul edilerek çıkartılmıştır. Camı tamamen ıslatmayan sıvılar için ise cam sıvı arasındaki q açısına bağlı olarak farklı bazı yaklaşımların kullanılmasıyla benzer bir ifade çıkarılabilir.
2.Damla Ağırlığı Metodu
Bu yöntemde yüzey gerilimini belirlemek için aşağıdaki şekilde gösterilen Traube Stalagmometresi kullanılır.
Bu metoda göre kılcal bir borudan düşen damlanın ağırlığı mg , tam düşme anında borunun çevresindeki sıvının yüzey gerilim kuvvetine eşit olacaktır.
2p rg =mg
g =mg/2p r
Fakat damlanın düşüş anı fotoğrafları alındığında damlanın boru ile sıvının tam birleştiği yerden kopmadığı düşen damla ile borunun ucu arasında bir miktar sıvı kaldığı gözlenmiştir. Bu bakımdan yapılan araştırmalar yukarıdaki bağıntı yerine
eşitliğinin daha geçerli olduğunu göstermiştir. Buradaki F değeri r/V1/3 terimiyle orantılıdır. Sabit hacimde bir sıvının yüzey gerilimini Traube Stalogmometresi ile ölçmek için ,tübün ucundaki bir kılcal borudan sıvı serbest düşmeye bırakılır ve düşen damlalar sayılır. Eğer ayni hacimde verilen bir karşılaştırma sıvısı ile deneme yapılırsa, bilinmeyen sıvının yüzey gerilimi F faktörleri birbirine eşit kabul edilerek
veya
eşitliğinden hesaplanabilir. Buradaki n1 ve n2 , d1 ve d2 yoğunluklarına sahip sıvıların V hacmindeki Stalagmometreden damlatılarak sayılan damla sayısıdır.
Yüzey gerilim kuvveti, Fs
Fs=2pR s cosq
Sıvının ağırlığı, W
W=m g
m=r V
V=p R2h
W=r p R2h g
SFnet=(2pRs cosq) – (r g p R2 h)=0
2pR s cosq = r g p R2 h
2 s cosq = r g R h
h = 2 s cosq / r g R
Çözülmüş Örnekler
Ï 20°C’deki suyun kapiler aksiyon sonucu 1 mm yükselmesi için hangi çapta bir cam tüp kullanılmalıdır?
20°C’de su için; s=0.0728 N/m, g=9.789 kN/m3
Ð Çözüm
q » 0° olduğundan, h=1 mm =0.001 m
h = 2 s cosq / r g R
R = 2 s cosq / g h
R = (2)(0.0728 n/m)(1)/(9.789 x 103 N/m3)(0.001 m)
R = 0.0149 m
D = 2R = 0.0298 m = 29.8 mm