شیمی ترشوندگی چیست؟ — به زبان ساده

[SETAREH LOTFI]

دستتان به لیوان آب می‌خورد و تمام آب داخل آن بر روی میز پخش می‌شود. اگر به جای آب، نفت بر روی میز می‌ریخت، به جای پخش شدن بر روی سطح میز، در ناحیه مشخصی از آن قرار می‌گرفت. میزان پخش‌شدگی آب و نفت بر روی میز یا هر سطح دلخواهی به ویژگی از آن‌ها به نام ترشوندگی مربوط می‌شود. هر مایعی تمایل به پخش شدن بر روی سطح جامد دارد. به این ویژگی «ترشوندگی» (Wetability) می‌گوییم. در این مطلب، در مورد این ویژگی مهم مایعات، به زبان ساده صحبت خواهیم کرد.

 

[SETAREH LOTFI]

ترشوندگی چیست ؟
به تمایل مایع برای تماس با سطح جامدِ پوشانده شده با سیالی دیگر (گاز یا مایع)، ترشوندگی گفته می‌شود. گاهی نیاز به کاهش ترشوندگی سطح و گاهی نیاز با افزایش آن است. به عنوان مثال، سطح فلز را برای محافظت با ماده مخصوصی پوشش می‌دهند، در نتیجه ترشوندگی آن کاهش و آب بر روی سطح فلز پخش نخواهد شد. در مقابل، گاهی نیاز به افزایش ترشوندگی سطح جامد داریم.

سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که چه عاملی میزان ترشوندگی سطح جامد را تعیین می‌کند. پاسخ این پرسش، نیروهای بین‌مولکولی است. نیروهای چسبندگی و پیوستگی بین جامد و مایع تعیین‌کننده ترشوندگی هستند. قبل از توضیح بیشتر در مورد ترشوندگی و تاثیر نیروهای بین‌مولکولی بر میزان آن، کمی در مورد این دو نیرو صحبت...

لطفا برای مشاهده کامل مطالب در انجمن ثبت نام کنید.

 

[SETAREH LOTFI]

نیروی چسبندگی و پیوستگی چیست ؟
«نیروی چسبندگی» (Adhesive) نیروی جاذبه‌ای است که بین مولکول‌های دو ماده متفاوت اتفاق می‌افتد. این نیرو مسئول اتصال دو ماده به یکدیگر است. در بیشتر موارد، این نیرو بین جامد و مایع رخ می‌دهد. نیروی چسبندگی در ردیف نیروهای بین‌مولکولی قرار می‌گیرد. این نیرو نوعی چسب طبیعی است که به کنار هم قرار گرفتن مولکول‌های دو جسم متفاوت و چسبیدن آن‌ها به یکدیگر، کمک می‌کند. «نیروی پیوستگی» (Cohesive) نیروی جاذبه‌ای است که بین مولکول‌های یک ماده (مانند دو مولکول آب) اتفاق می‌افتد. برهم‌کنش بین دو مولکول آب از نوع نیروی پیوستگی است. از شیمی می‌دانیم که الکترونگاتیوی اکسیژن از هیدروژن بیشتر است، بنابراین الکترون‌های بیشتری را به سمت خود می‌کشاند. از این رو، اکسیژن بار...

لطفا برای مشاهده کامل مطالب در انجمن ثبت نام کنید.

 

[SETAREH LOTFI]

• اگر نیروی چسبندگی بین مولکول‌های مایع و دیواره ظرف از نیروی پیوستگی بین مولکول‌های مایع قوی‌تر باشد، سطح مایع به شکل محدب خواهد بود. به عنوان مثال، سطح جیوه پس از ریختن درون ظرف به شکل محدب است.
• اگر نیروی پیوستگی مایع قوی‌تر از نیروی چسبندگی بین مایع و دیوار باشد، سطح مایع به شکل مقعر درمی‌آید.

مربا​

در بیشتر موارد، اگر سیالی با گرانروی زیاد درون ظرفی ریخته شود، به دیواره آن می‌چسبد. نیروی چسبندگی بین مولکول‌های ظرف و مولکول‌های مایع، دلیل اصلی این چسبندگی خواهد بود. اگر نیروی پیوستگی به اندازه کافی بزرگ‌تر از نیروی چسبندگی...

لطفا برای مشاهده کامل مطالب در انجمن ثبت نام کنید.

 

[SETAREH LOTFI]

ترشوندگی و کشش سطحی
سوزنی را به آهستگی روی سطح آب داخل لیوانی قرار دهید. سوزن روی سطح آب باقی می‌ماند و ته‌نشین نمی‌شود. از آنجا که چگالی سوزن از آب بیشتر است، چه توضیحی برای این پدیده دارید؟ کشش سطحی آب دلیل اصلی قرار گرفتن سوزن بر روی آن است. اگر با انگشت نیروی کمی به سوزن وارد کنیم و آن را کمی به زیر سطح آب فشار دهیم، ته‌نشین خواهد شد. اما سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که چرا آب کشش سطحی دارد. پاسخ این پرسش به نیروی جاذبه پیوستگی بین مولکول‌های آب مربوط می‌شود. مولکول‌های آب از طریق پیوند هیدروژنی با یکدیگر برهم‌کنش می‌کنند.

مولکول‌های آب داخل ظرف به دو بخش تقسیم می‌شوند:

مولکول‌های حجمی
مولکول‌های سطحی
کشش سطحی
مولکول‌های آب تمایل به تشکیل گروه با یکدیگر دارند. اما سوالی که...

لطفا برای مشاهده کامل مطالب در انجمن ثبت نام کنید.

 

[SETAREH LOTFI]

• ترشوندگی بالا (زاویه تماس کمتر از ۹۰ درجه): اگر انرژی سطحی مرز گاز-جامد بیشتر از انرژی سطحی مرز مایع-جامد باشد، قطره روی زیرلایه پخش می‌شود. بنابراین، سطح زیرلایه جامد بیشتر از مایع پوشانده شده است. اگر مایع مورد نظر آب باشد، به زیرلایه جامد، زیرلایه آب‌دوست گفته می‌شود.

• ترشوندگی کم (زاویه تماس بیشتر از ۹۰ درجه): اگر انرژی سطحی مرز جامد-مایع بیشتر از انرژی سطحی مرز گاز-جامد باشد، قطره به منظور کاهش سطح مشترک با زیرلایه، جمع می‌شود...

لطفا برای مشاهده کامل مطالب در انجمن ثبت نام کنید.

 

[SETAREH LOTFI]

زاویه تماس و معادله یانگ​

در مطالب بالا در مورد معادله یانگ صحبت کردیم. در این قسمت، این معادله را با جزییات بیشتری بررسی می‌کنیم. به تصویر زیر دقت کنید. قطره‌ای بر روی سطح جامد قرار گرفته و با گازی مانند هوا احاطه شده است. در این تصویر:

• γlgγlg کشش سطحی در فصل مشترک بین مایع و گاز است.
• γsgγsg کشش سطحی در فصل مشترک بین جامد و گاز است.
• γlsγls کشش سطحی در فصل مشترک بین مایع و جامد است.

سه کشش سطحی را به صورت نمودار جسم آزاد رسم می‌کنیم.

 

[SETAREH LOTFI]

این معادله را بر حسب
cos
θ
مرتب می‌کنیم:


cos
θ
=
γ
s
g
−
γ
l
s
γ
l
g

به معادله بالا، معادله یانگ می‌گوییم. در ادامه، هر یک از حالت‌های ترشوندگی را با این معادله بررسی می‌کنیم:

زاویه تماس ۹۰ درجه: اگر زاویه تماس برابر ۹۰ درجه باشد، مقدار
cos
θ
برابر صفر خواهد بود. با توجه به رابطه یانگ، این حالت هنگامی اتفاق می‌افتد که کشش سطحی بین جامد-گاز برابر کشش سطحی فصل مشترک مایع-جامد باشد.
ترشوندگی بالا (زاویه تماس کمتر از ۹۰ درجه): اگر زاویه تماس کمتر از ۹۰ درجه باشد، مقدار
cos
θ
بزرگ‌تر از صفر و مثبت خواهد بود. بنابراین، انرژی سطحی مرز جامد-گاز از انرژی سطحی مرز مایع-جامد بیشتر است.
ترشوندگی کم (زاویه تماس بیشتر از ۹۰ درجه): اگر زاویه تماس بیشتر از ۹۰ درجه باشد، مقدار
cos
θ
کمتر...

لطفا برای مشاهده کامل مطالب در انجمن ثبت نام کنید.

 

[SETAREH LOTFI]

سطوح آب دوست و آب گریز:
سطح آب‌گریز، همان‌طور که از نامش مشخص است، آب را از خود دور می‌کند. انرژی سطحیِ سطح آب‌گریز کم است. اگر قطره آبی بر روی این سطح قرار بگیرد، زاویه تماس آن از ۹۰ درجه بیشتر خواهد بود. اگر زاویه تماس از ۱۵۰ درجه بیشتر شود، سطح فوق آب‌گریز نامیده می‌شود. قطره آب از روی این سطح می‌پرد یا لیز می‌خورد.

قطره آب بر روی سطح فوق آب گریز
سطح آب‌گریز مزایای زیادی دارد:

جلوگیری از یخ‌زدگی سطح
بهبود مقاومت در برابر خوردگی
تصفیه و مدیریت آب تولیدی
بهبود ابزار تشخیص رطوبت
مدیریت آلودگی رطوبت در سیستم‌های گاز طبیعی مایع
جلوگیری از آلودگی رطوبتی در لوله‌های ردیابی حرارتی
جلوگیری از آلودگی در سیستم‌های انتقال نمونه آزمایشگاهی
قطره آب پس از قرار گرفتن بر روی سطح آب‌دوست، روی آن...

لطفا برای مشاهده کامل مطالب در انجمن ثبت نام کنید.

 

[SETAREH LOTFI]

ساخت سطح فوق آب‌ گریز با ترشوندگی بسیار کم​

ساختار سطح فوق آب‌گریز در مقیاس نانو به گونه‌ای است که از پخش شدن مایعات بر روی آن جلوگیری می‌کند. برخی دوده‌ها ذراتی در ابعاد نانومتر دارند، بنابراین گزینه مناسبی برای استفاده به عنوان پوشش‌های فوق آب‌گریز هستند.

با انتخاب حلال آلی مناسب به راحتی می‌توانید سطح شیشه‌ای ضخیم را به سطح فوق ‌آب‌گریز تبدیل کنید. برای انجام این کار دو روش را دنبال خواهیم کرد.

روش اول

وسایل مورد نیاز در این روش عبارت هستند از:

• ایزوپروپیل الکل ۹۹٪ (الکل مالشی)
• شعله و سطح عایق حرارتی
• ظرفی کوچک برای نگه داشتن ایزوپروپیل الکل
• شیشه ضخیم
• فندک
• عینک محافظ

در هنگام آزمایش، با شعله و شیشه داغ کار خواهید کرد...

لطفا برای مشاهده کامل مطالب در انجمن ثبت نام کنید.