Ytorstermodynamik

Question 1

Ytspänning:

Answer 1

Ytspänning: Fenomen som uppstår i gränsytan mellan två faser pga av högre energi för molekyler vid ytan i jamförelse med molekyler i bulken (fasensinre). Detta uppstår varje gång man har gränsyta mellan två faser.

I fasensinre (bulken) finns det många molekyler. Vid gränsyta (Mellan vätska och luft) har vätskemolekyler inte växelverkan med runt omkring för att i luft har vi mindre molekyler.

Mellanfasspänning: Att molekyler har högre energi i gränsytan än i bulken.

Question 2

Ytspänning
* P.g.a.

Answer 2

Ytspänning
* P.g.a. Ytspänningen beter sig en flytande yta som ett elastiskt membran

På grund av ytspänning har vi som membran på ballong.
En ballong har bestämd form med membran, samma gäller för en vätskedroppe med bestämd form, detta beror på ytspänning.

Gas molekyler i en ballong sprider sig inuti, tack vare plastmembran. Vätskemolekyler sprider sig också inom vätskedroppen men ytspänning håller molekyler i plats.

Om man skulle välja ändra formen på ballongen, behöver man utföra arbete, samma gäller för att förändra formen på en droppe.
När man ändrar formen i ballongen ökar aren (Gränsytan) och det kostar energi.

Question 3

Ytspänning och ytenergi

Answer 3

Ytspänning och ytenergi
 Det behövs energi för att generera ny gränsyta.
 Ytspänning kan beskrivas som det arbete per areaenhet som behövs för att generera ny ytarea

Det kostar energi att öka gränsyta för att fler molekyler kan gå till gränsyta, där vi har högre energi i gränsyta än i bulken.

W = arbete
G = Gibbs energi
Ytspänning är alltid positiv: Innebär att ytaarean som ska öka behöver arbete, medan för att gå tillbaka till den ursprungliga formen sker spontan.
Ballong Ex:: Ökar area på ballongen behöver vi energi, men om vi vill gå till ursprungliga formen, ytan minskar, som är en spontan process.

Question 4

Kohesion och adhesion

Answer 4

Kohesion och adhesion

Kohesion: Beror av attraktiva intermolekylära krafter mellan molekyler i en fas (lika molekyler). Arbetet som krävs för att dela något i små delar. Dela saker i två kräver energi.

Energi kostnad (per area enhet):
W = 2γα (W = 2*Ytspänning)

Adhesion: Beror av attraktiva intermolekylära krafter mellan ytor (olika molekyler T.ex. Klisterpapper och tavla). Arbete som krävs för att separera två ämne från varandra.

En klister och tavla, ta bort klistret har vi genererat två gränsyta (Mellan klister och luft och tavla och luft). Vi generar två nya gränsytor.

Summan av ytspänning av de två areor och de som redan fanns:

Energi kostnad (per area enhet):
W = γαv + γβv - γαβ

Question 5

Geometrisk form som finns mest av i universum är sfärisk form

Answer 5

Geometrisk form som finns mest av i universum är sfärisk form
Varför är bubblor och droppar sfäriska?
Sfärer ger minskat area per ytspänning.
Svar på frågan: För att minska totala ytarea.
4.8cm^2 är minst.

Question 6

Ytspänning

Answer 6

Ytspänning
Ytarea minskar spontan i ett system.
Vi har barriär i början, där vi utför kraft för att hålla i barriären och öka arean för att generar rörelse behöver vi kraft, men när vi släpper barriären (Utan energi), går tillbaka till ursprunglig yta.

Question 7

Ytspänning som en kraft

Answer 7

Ytspänning som en kraft
* P.g.a. av ytspänning finns en kraft som är tangentiell till ytan, alltså alltid parallellt till ytan.
Enhet för ytspänning: Kraft/längd (N/m , dyn/cm)

Molekyler med barriär dras ut detta håll och därför får vi en nyttokraft som försöker alltid minska ytan.

Ytspänning = Kraft / längd
L: Längden av kontaktlinje

Hur mycket det rör på sig = Delta X

Question 8

Ytspänning vid olika gränsytor

Answer 8

Ytspänning vid olika gränsytor

Vätska och luft (Man säger ytspänning för vatten bara)
Vatten har högre ytspänning, på grund av vätebildningar som har mycket energi. Där vi på ytan av vatten har vi stor antal H som försvinner.

Etanol och oktan är nästan samma ytspänning.

Kvicksilver–Luft: 486.5
Vatten–Kvicksilver: 415

Kvicksilver och luft: Betydligt hög ytspänning, den har metallisk bindning, alla atomer delar e- med sig, det kostar energi att atomer går till ytan.

Ytspänningen mellan kvicksilver och vatten är lägre för att kvicksilver kan växelverkar med vatten som är lägre än växelverkan mellan 2 atomer kvicksilver (Alltså kvicksilver och luft).

Vätskan som har lägst ytspänning är Helium.
För kvicksilver ytspänning = ca. 500 mNm^-1

Ytspänningen minskar med ökad temperatur, för att intermolekylära krafter blir svagare.

Question 9

Ytspänning och temperatur

Answer 9

Ytspänning och temperatur
Vi ökar ytan, då är S (Entropi) positiv.
T ökar —> minskar ytspänning

Ytspänningstemperaturkoefficient: Visar hur ytspänningen minskar med ökande temperatur.

Med Ytspänningen i Y-axel och Temperatur i X-axel, får vi en lutning = - Delta S / Delta Area

Question 10

Vätskedroppar på yta

Answer 10

Vätskedroppar på yta

Vattendroppar kan hålla sig runda eller sprids på ytan.
Vatten på glas —> Då sprider vatten sig på ytan

Question 11

Vätskedroppar på yta

Tre gränsytor:

Answer 11

Vätskedroppar på yta

Tre gränsytor:
- LV (liquid-vapour)
- SV (solid-vapour)
- SL (solid-liquid)

All dessa försöker att krympa. Systemet försöker att minska gränsytan.
Gränsyta som kostar mest —> Krymper

Question 12

Youngs ekvation och kontaktvinkel

Answer 12

Youngs ekvation och kontaktvinkel

Gränsytan som kostar mest energi minimeras. Gränsytan som kostar minst maximeras.
Vätning gynnas av låg ytspänning

Droppen drar sig eller sprider sig beror på dessa 3 krafter.
Vinkel är kontakt vinkel: Vinkel mellan fasta fasen och vätskan.
Vätskan sprider sig på ytan, vid liten kontakt vinkel.

Question 13

Vätskedroppar på yta

Answer 13

Vätskedroppar på yta
Om kontaktvinkeln är:
Större än 90 = Runda droppe
Mindre än 90: Sprider sig

Question 14

Kontaktvinkel

Answer 14

Kontaktvinkel

För en vätska i provrör är gränsytan inte helt rak:
För en hydrofil rör —> U
För en hydrofob rör —> Mot U
Röret varken hydrofil eller hydrofob —> kontaktvinkel = 90

Kvicksilver har i ett provrör en kontaktvinkel som är större än 90 för att den har hög ytspänning.

Question 15

Kontaktvinkel

För en hydrofil pinne

Answer 15

Kontaktvinkel

För en hydrofil pinne som placeras i vatten får vi en kontakt vinkel som är lägre än 90. Kraften riktas nedåt för att pinnen vill ha kontakt med vatten.

För en hydrofob pinne som placeras i vatten får vi en kontaktvinkel som är högre än 90. Kraften riktas uppåt för att den hydrofoba ämnet vill inte ha kontakt med vatten. Den undviker kontakt med vatten alltså.

Question 16

Laplace tryck

Answer 16

Laplace tryck
Gas kommer att gå från område med hög till låg tryck, det innebär att vi har högre tryck inuti ballongen än utanför, högre tryck inuti på grund av det plastmembran som omger ballongen.
Vätskedroppe i luften har en vätskeyta (liknar plastmembran) som gör att trycket inuti bubblan är högre än utanför.

Molekyler i en vätskedroppe försöker sprida ut sig i olika riktningar. Det som gör att de inte går i väg är på grund av ytspänning

Konkava sidan av ett föremål har högre tryck. Trycket i gasbubblan är högre än utanför.
Ex. Disksvamp, när vi utför tryck på den konkava sidan, får vi en tryck att hålen trycker sig.

Question 17

Tryckskillnad är större, när r är liten.

Answer 17

Tryckskillnad är större, när r är liten. Detta innebär att vi har högre tryck inuti små bubblor än större.

r = Krökningsradien

Young-Laplace ekvation: Delta P = 2*Ytspänning / r.

Trycket i små bubblor är högre än i stora bubblor

Question 18

Vad kommer att hända?
Stor och liten ballong

Answer 18

Vad kommer att hända?
Stor och liten ballong, har luft som kan passera mellan dem. När man vrider på så att luft kan passera i mellan, får vi följande:
Lilla ballongen, blir ännu mindre, för att trycket i denna lilla ballongen är högre än trycket i det stora ballongen.

Arean för den större ballongen har blivit mindre, medan den lilla ballongen har minskat mycket i r (Därför har man minskat hela totala gränsyta).

Ovan gäller även för vattenbubblor (Om det finns ett rör i mellan, eller om det är kopplade)

Question 19

Ångtryck i en droppe

Answer 19

Ångtryck i en droppe
Ångtryck: Vätska är alltid i jämvikt med sin ånga.

Om vi förändrar trycket, förändrar vi den kemiska potentialen.
Ångtrycket i droppen är högre än ångtrycket i bulken utanför.

Question 20

Kelvins ekvation

Answer 20

Kelvins ekvation

• Ångtrycket i en droppe beror på krökningen!
  Små droppar med mindre r, kokar vid lägre kokpunkt för att de har högre ångtryck.

Question 21

Kelvins ekvation

• Lösligheten

Answer 21

Kelvins ekvation

• Lösligheten av en partikel beror på storleken!

Löslighet blir bättre om vi finfördelar det i små kristaller (Nanokristaller). Detta beror på att vi har högre tryck inuti dessa små kristaller och det bildas stor gränsyta med vätska den befinner sig i, för att göra så att den blir mindre (Det som är bättre för universum), då löser det.

Ekvationen gäller sfäriska kristaller, men kubiska kristaller löser sig bättre, beror på att de har högre gränsyta, alltså större kontaktyta. Universum giller inte stor gränsyta, den löser sig därför snabbare.

Question 22

Kapillärverkan
Kapillär rör:

Answer 22

Kapillärverkan
Kapillär rör: Rör som är öppet på båda sidor.

I U-formad vätska i en kapillär: Luft har högre tryck för att den utgör den konkava sidan.

Inuti röret har vi vätskan sida, med lägre tryck.
Vattenpelare: Vatten stiger tills vi generar hydrostatiskt tryck.

Menisken har en r (Ekvationen har ett värde på r av minsken, inte kapillär radie!!!!!)

Question 23

Krökningsradien vs. Kapillärradien

Answer 23

Krökningsradien vs. Kapillärradien

Kontakvinken = 90 = Ingen krockning alls.

Kontaktvinkel större än 90 (Depression)
Kontaktvinkel mindre än 90 = Ofullständig vätning
Kontaktvinkel = 0 = Fullständig vätning

Question 24

Kapillärverkan

Answer 24

Kapillärverkan
Cos (Större än 90) Negativ höjd = Vätska och yta gillar inte varandra. Vätskan sjunker i kapillärröret (kapillär depression)

Cos (Mindre än 90) Positiv höjd = Vätskan stiger i kapillärröret

Question 25

Ytspänning i vardagen
* ”Gardiner” i vinglaset

Answer 25

Ytspänning i vardagen
* ”Gardiner” i vinglaset

Vin: Börjar stiga, med ytspänning.

Vin vättar, alkohol avdunstar snabbare än vatten, i kanterna av en vätska (INTE PÅ GLASET) är det rent vatten.
Vi har en driftkraft som tar vatten upp (För att den har högre ytspänning).
Den stiger mer med lösning med mindre ytspänning.

Question 26

Sammanfattning

Answer 26

Sammanfattning
* Ytoregenskaper skiljer sig från bulkegenskaper

• Ytspänning är en mått på energi/arbete som behövs för att generera ny ytarea.
• Viktiga begrepp:
  – Ytspänning
  – Kontaktvinkel
  – Kapillärverkan
  – Laplace tryck

Question 27

Ytaktiva molekyler:

Answer 27

Ytaktiva molekyler: Molekyl som fördelar sig spontant till gränsytan. Tycker om att vara i gränsytor. Leder till att ytspänningen minskar.

• Det finns molekyler som ”tycker” om att sitta vid ytor. De minskar ytspänning och ytenergi.
  T.ex:

– Tensider
– Surfaktanter

När vi har vatten som lösningsmedel, där vill tillsätter ytaktiva molekyler, där en del av dem är polär (Hydrofil), och en del opolär (Gillar inte vatten - hydrofob). De är amfifila ämne (Innehåller båda hydrofila och hydrofoba delar).

Delen som inte tycker om vatten finns i gränsytan där den hydrofoba delen är riktad mot luften. Polär delar i vatten och opolära i luften. Det bildar en lager (En molekyl tjock lager) på ytan.

Vatten + krydda, stannar på yta, men med Ytaktiva molekyler —> Kryddor flyger i väg.

Question 28

Ytaktiva molekyler: Typer:

Answer 28

Ytaktiva molekyler: Typer:

1- Joniska ytaktiva molekyler: Innebär att huvudgruppen är laddad Negativ (Anjonisk) eller Positiv (Katjonisk)

2- Oladdade (Neutrala): De kan innehålla socker molekyl i huvudgruppen.

3- Zwitterjoniska: Innebär att de innehåller båda positiv och negativ laddning i huvudgruppen. Vi har en del som är hydrofil och en del som är hydrofob. Den laddade delen utgör den hydrofila delen och kolatomer utgör den hydrofoba delen.

Question 29

Läkemedel

Answer 29

Läkemedel

De flesta konventionella läkemedel är ytaktiva ämnen:
Flera LM är amfifila, T.ex: Ibuprofen, Lidokain.
När man tillsätter dem i vatten lösning, minskar dem ytspänningen.

Question 30

Ytaktiva molekyler
* Surfaktanter sitter gärna

Answer 30

Ytaktiva molekyler
* Surfaktanter sitter gärna vid gränsytor pga av deras amfifila karaktär

Det uppstår en jämvikt mellan lösnings- och yt-koncentrationer!

De fördelar sig spontant, vilket gör att jämvikt uppstår. Molekyler vid ytan kan gå till bulken och vice versa. Vi kan inte förändra konc. i bulken utan att förändra konc. på ytan.

Question 31

Pinset är ett hydrofobt

Answer 31

Pinset är ett hydrofobt föremål som har krafter som pekar uppåt, men med diskmedel (Amfifilt ämne) —> Sjunker det för att ytspänningen minskar och det uppåtriktade kraften är inte tillräckligt stark för att hålla den på ytan.

Question 32

Ytaktiva ämnen i biologiska system

Answer 32

Ytaktiva ämnen i biologiska system
I lungan har vi blodkärl, för bra utbyte behöver vi ha stor ytarea.
Alveoler har radie med 100 mikrometer, dessa gränsytor leder till tryck skillnad.

Det trycket som krävs för inandning är därför1400 Pa: Det är alltså det trycket man behöver för att blåsa 2 ballonger samtidigt. 1400 Pa kostar mycket, men vi kan andas utan svårighet för att vi har surfaktanter som minskar ytspänningen. Det resulterar i att vi endast behöver 200 Pa och inte 1400 Pa.

Denna lungsurfaktant har en hydrofil som är fosfat del.

Det finns sjukdomar gör att man inte kan producera surfaktanter, nyfödda kan inte producera surfaktanter, man kan därför bli behandlad med surfaktanter som kan inhaleras.

Question 33

Ytaktiva molekyler
* Amfifila molekyler

Answer 33

Ytaktiva molekyler
* Amfifila molekyler bilder stora aggregat

Kritisk micellsbildning koncentration (critical micelle concentration)

Efter en viss konc. av surfaktanter, kan de bilda aggregat (Miceller). Denna konc. där de börjar bilda miceller är specifik för varje surfaktant.

Question 34

CMC

Answer 34

CMC
* Vid CMC börjar tensid molekyler att aggregera och bilder miceller
* Om man tillsätter extra molekyler, bildas fler miceller
* Monomer koncentration blir konstant vid CMC!

CMC: Där alla extra surfaktant molekyler man tillsätter bildar miceller, därför förbli konc. fri surfaktant konstant efter CMC, däremot ökar konc. miceller efter CMC.
Alltså vid tillsatt av fria surfaktanter, ökar konc. fri surfaktanter, men efter en viss konc, uppnår dem CMC, där miceller börjar bildar och all tillsatt fri surfaktanter bildar miceller, därför förblir konc. fri surfaktant konstant.

Osmotisk tryck ökar med ökande konc. fri surfaktanter, men efter CMC, förblir den konstant. Medan ytspänningen, som förväntat, minskar med ökande konc. fri surfaktant, men efter CMC, förblir den konstant.

Question 35

CMC
För att kunna

Answer 35

CMC
För att kunna specificera var ligger CMC, ska man ha:
Y-axel: Ytspänningen
X-axel: Log (Surfaktant konc.)

Question 36

Gibbs adsorptionsekvation

Answer 36

Gibbs adsorptionsekvation

Ytöverskott: Konc. surafnt i ytan (Mol/m^2)

Ekvationen beskriver jämvikten mellan ytan och bulken.

Ytöverskott: Hur många molekyler som är extra som man inte skulle ha.

Om vi har joniska surfaktanter, laddade surfaktanter, som är negativt laddade, Det leder till att vi får negativt laddad yta i vätska, Vi adderar 2 för att vi har motjoner som följer. (SE SLIDE 12).

Question 37

Gibbs adsorptionsekvation
Ytspänningen:

Answer 37

Gibbs adsorptionsekvation
Ytspänningen: Plattar ut och blir konstant vi når CMC.
Ytöverskott är proportionell till -1/RT-.

Ytspänningen minskar med ökande surfaktant konc.

Ytöverskott ökar med ökande surfaktant konc.

När det är platt har vi mindre ytöverskott vid låga konc. av fria surfaktanter, men när vi når CMC, förblir ytöverskott platt.
I början (Med låg surfaktant konc.) platt kurvan —> Mindre ytöverskott

Men när kurvan blir brantare, blir ytöverskott högre och högre med ökande surfaktant konc.

Surfaktanter är olika för att de har olika kol kedjor. Surfaktanter med längre kolkedjor, bildar miceller vid lägre konc.

Ytöverskott, med brantare kurva, har högre ytöverskott.

Question 38

Salter

Answer 38

Salter
* Joner har hög affinitet för vatten och låg affinitet för luft
* Ytöverskottet är negativt!

Joniska ämnen (Salt + vatten) —> Ytspänningen blir högre för att joner undviker att dela sig till ytor, för att de har stor hydrostatisk skal. Konc. nära ytan är därför lägre för dem än i botten.

Salter är inte tillräckligt effektiva som surfaktanter, om vi har båda surfaktanter och salter i en lösning, vinner surfaktanter. Ytspänningen ökar i denna lösningen men ökningen förblir försumbar.

Alltså lösningar med salt, ger ökad ytspänning med ökande konc. NaCl. Medan med ökande NaCl konc. minskar ytöverskott (För att NaCl vill hellre vara i botten och inte vid gränsytan).

Men för en lösningen med surfaktant och salt, skulle surfaktant vinna, med att:
Ytspänningen minskar med ökande surfaktant konc.
Ytöverskott ökar med ökande surfaktant konc.

Question 39

Joniska surfaktanter och salt
Effekt av salt (NaCl) på ytspänningen för SDS/vatten

Answer 39

Joniska surfaktanter och salt
Effekt av salt (NaCl) på ytspänningen för SDS/vatten
SDS: Natriumdodecylsulfat (anjonisk surfaktant)

CMC minskar med ökande [NaCl]

Ytspänningen vid CMC blir lägre med ökande [NaCl] —> högre ytöverskott av surfaktant

Ytspänning hög —> Ämnet vill vara i bulken

Jonisk surfaktant + salter —> Minskar ytspänningen, för att det blir lättare för surfaktant att dela sig till ytan, för att jonisk surfaktant på ytan har repulsion mellan varandra. Tänk på att salter giller att vara i bulken än på gränsytan, vilket medför en större yta för joniska surfaktanter att befinna sig på gränsyta.

Tillsätter vi salt minskar ytspänning, lättare att surfaktanter delar sig till ytan och repulsion blir mindre.

Med salt får vi hög entropin, som gör det lättare för surfaktant att gå till ytan, konsekvens av att ytspänning minskar.

Jonisk surfaktant + salt —> ytspänningen minskar

För en icke-jonisk surfaktant, då spelar salt ingen roll (För att då har vi inte entropin som spelar roll).

Question 40

Langmuirs adsorptionsisoterm

Answer 40

Langmuirs adsorptionsisoterm

Surfaktant i lösning + Absorptionssäte <–K–> Surfaktant yta

Och under antaganden:
* Ytan är homogen (alla adsorptionssätte är lika varandra)
* Ingen lateral växelverkan mellan surfaktant molekyler
* Slumpmässigt fördelning vid ytan

Ytöverskott som funktion av bulkkoncentrationen:

Langmuirs adsorptionsisoterm: En ekvation som beskriver något på bulk-fas och på ytan.

Vi har molekyl i lösning som ska hitta ett absorptionssäte så att den kan hamna på ytan. Denna är reversibel reaktion.

Jämviktskonstant K = (Konc. surfaktanter vid yta = Ytöverskott) / Konc. Absorptionssäte

Question 41

Langmuirs adsorptionsisoterm
När vi har en graf med:

Answer 41

Langmuirs adsorptionsisoterm
När vi har en graf med:
Y-axel = Ytöverskott (Surfaktant) / Ytöverskott (Surfaktant) Max.
X-axel: Konc. surfaktant

Kan vi notera att linjen planar ut vid hög konc. Surfaktanter, med tanke på då är alla absorptionssäten upptagna.
Om C = K^-1
K(K^1) / 1+K(K^-1) = 1/2 av alla absorptionssäten är upptagna.

Vid låga surfaktant konc:
Ytöverskott (Surfaktant) / Ytöverskott (Surfaktant) Max = Kc

Vid höga surfaktant konc:
Ytöverskott (Surfaktant) / Ytöverskott (Surfaktant) Max = 1

Question 42

Filmtryck:

Answer 42

Filmtryck: Skillnad mellan ytspänning kallar man filmtryck, som motsvarar vanlig tryck, men beskriver system som finns i 2D.

Gaslagen visar att vid låga konc. surfaktanter har vi filmtryck som är 2D-gas, som sprider sig över hela arean med tryck.

Gränsyta mellan vatten och luft + En raket, men en raket + bränsle, något som blir till gas med vätska (Man adderar diskmedel). En gas som sprider vakuum. När den rör sig får vi massa surfaktanter bakom raketet.

Question 43

Olösliga surfaktanter: Langmuir filmer

Answer 43

Olösliga surfaktanter: Langmuir filmer

Behållare med vatten + ytaktiva molekyler som lösas sig upp i organisk lösningsmedel som sprids på ytan och surfaktanter är inte vattenlösliga men är ytaktiva, dessa surfaktanter befinner sig därför och förblir på ytan.

Med detta kan man räkna antal molekyler på ytan. Men dessa bildas inte spontant. Vi kan kontrollera hur många molekyler vi kommer att ha vi varje m^2.

Få molekyler börjar man med, sedan beräknar man hur många molekyler man har, hög ytöverskott (För att flera surfaktanter befinner sig på gränsytan) beter de sig som gas och med hjälp av gaslagen kan vi beräkna: För att bestämma vilken typ av surf.

Vi kan komprimera dessa surfaktanter som är i fasta fasen, kan vi generera Tätpackade punkten, Mellan flytande och fast som kan användas för att bestämma längden på surfaktanter.

Hur många molekyler och area kan vi beräkna hur stor är varje huvudgrupp.

Om vi vet densitet för ämnet och hur många gram man har kan man räkna hur stor volym och räkna hur tjock den, där tjockleken på filmen = Tjockleken för molekylen.

Question 44

Langmuir filmer
Man studerar filmer med

Answer 44

Langmuir filmer
Man studerar filmer med fosfolipider och studerar olika effekter på cellmembran av olika LM.

Question 45

Sammanfattning

Answer 45

Sammanfattning
* Ytaktiva molekyler ackumuleras vid gränsytor och minskar ytspänningen (För att de vill vara i ytan och inte i bulken).
* Ytspännings koncentrationsberoende beskrivs av Gibbs ekvationen och Langmuirs isotermen
* Vid låga ytöverskott kan ytfilmen bete sig som en 2D-gas