Jan Drzymała

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 2r, gdzie  jest napięciem powierzchniowym. W chwili spadania siła ta równa się
ciężarowi kropli o masie m:
2r = mg
(l)
W równaniu tym  = 3,14; g jest przyspieszeniem ziemskim równym 981 cm/s2. Jednostką
napięcia powierzchniowego  jest dyna/cm (w układzie SI jest mN/m (miliniuton na metr)).
Metodyka
Czyste małe naczyńko wagowe bez wieczka, uprzednio zważone, podstaw pod wylot
kurka i chwyć do niego np. 50 kropel wody. Za pomocą wagi wyznacz ich masę, a następnie
podziel ją przez ich ilość. W ten sposób otrzymasz masę jednej kropli. Linijką lub suwmiarką
zmierz średnicę wewnętrzną wylotu kurka. W oparciu o równanie (l) wylicz napięcie
powierzchniowe wody.
Przykładowe wyniki pomiarów dla wody:
liczba spadających kropel
n = 50
ich masa
M = 9,950 g
masa jednej kropli
m = M/n = 0,1990 g
średnica wylotu kurka
2r = 9,5 mm
przyspieszenie ziemskie
g = 981 cm/s2
napięcie powierzchniowe wody:  = mg/2r = 0,1990 (g) · 981 (cm/s2) / (3,14 · 0,95 cm) =
65 g·cm/(cm·s2) = 65 mN/m.
Zwróć uwagę, że 1N = 1 kg (l m/s2), a jeden miliniuton = l mg/s2. 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:
sp= sw + wpcos
(2)
gdzie: sp oznacza energię międzyfazową na granicy faz ciało stałe (s) - powietrze (p), sw
oznacza energię międzyfazową na granicy faz ciało stałe (s) - woda (w), wp oznacza energię
międzyfazową (dla cieczy równą napięciu powierzchniowemu) na granicy faz woda (w) –
powietrze (p), zaś  oznacza kąt zwilżania zwany również kątem skrajnym. Istotę równania
Younga pokazuje rysunek 1 zgodnie, z którym 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).
Rys. l. Kropla na hydrofobowej powierzchni i graficzna prezentacja równania Younga
Metodyka
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 ziarno-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 ziarno - pęcherzyk
tak, jak to pokazano na rysunkach 1 i 2.
Rys. 2. Flotacja (wg Drzymały, 2001)
Metodyka
Do zlewki o objętości 120 cm3 wlej około 60 cm3 wody destylowanej i dodaj l g
substancji, której flotowalność chcesz badać. Ziarna poddawane flotacji powinny mieć
rozmiar pomiędzy 0,5 a 2,0 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.