Fenomene De Suprafata In Solutii De Interes Biologic

FENOMENE DE SUPRAFATA IN SOLUTII DE INTERES BIOLOGIC

Fenomene moleculare de suprafata • Suprafata de separatie dintre doua faze ale unei substante (lichid si un gaz in care se gasesc vaporii propri ai lichidului) sau dintre doua lichide nemiscibile= o membrana elastica structura proprie  proprietati specifice

Fenomene moleculare de suprafata • Strat superficial=stratul subtire de la suprafata libera a unui lichid aflat in contact cu un gaz de grosime egala cu raza sferei de interactiune moleculara • Sfera de interactiune moleculara=spatiul in care actioneaza fortele de coeziune pentru o molecula data

Fenomene moleculare de suprafata • Fortele de coeziune =forte de atractie moleculara care se manifesta asupra unei molecule din partea moleculelor din jur Observatie • Valoarea lor scade odata cu cresterea distantei • Nu sunt doar forte de natura electrostatica pt ca apar si intre atomi si molecule neutre

Fenomene moleculare de suprafata • Raza de actiune moleculara=distanta la care iau nastere forte de atractie intermoleculare (aprox. 1 nm) Observatie • In sfera de actiune moleculara sunt sute de mii pana la milioane de molecule

Fenomene moleculare de suprafata

În interiorul masei lichidului, fiecare moleculă este trasă în egală măsură în toate direcțiile de către moleculele învecinate, ce are ca rezultantă o forță nulă R=0 >>>>>ECHILIBRU CVASISTATIONAR >>>>>ENERGIA MINIMA

POTENTIALA DE

INTERACTIUNE

Fenomene moleculare de suprafata atmosferă d sfera de acţiune moleculară

lichid a)

b)

c)

Fig.1 Poziţiile sferelor de acţiune moleculară pentru diferite molecule

Când molecula se găseşte în apropierea suprafeţei lichidului la o distanţă mai mică decât raza de acţiune moleculară d, sfera de acţiune moleculară nu se mai găseşte în întregime în interiorul lichidului şi de aceea, apare o forţă rezultantă, care nu mai este nulă, fiind orientată către interiorul lichidului. Valoarea acestei forţe creşte pe măsură ce molecula se apropie de suprafaţa fluidului, având valoarea maximă când molecula se găseşte chiar la suprafaţă R max

Fenomene moleculare de suprafata • Stratul de la suprafaţa lichidului având grosimea egală cu raza sferei de acţiune moleculară poartă numele de strat superficial. • Având în vedere că toate moleculele din stratul superficial sunt supuse unei forţe rezultante orientate către volumul lichidului, stratul superficial determină o apăsare asupra restului lichidului şi se comportă ca şi cum ar fi o membrană elastică tensionată. • Forţa de apăsare exercitată de stratul superficial pe unitatea de suprafaţă poartă numele de presiune internă.

Fenomene moleculare de suprafata Stratul superficial – totalitatea moleculelor care participa la realizarea presiunii interne Exemplu • Grosimea stratului superficial de la suprafata apei – 0,05 mm • Presiunea interna – mii de atm >>>>> LICHIDELE SUNT INCOMPRESIBILE

Efectele tensiunii superficiale • Formarea de picături sferice. Tensiunea superficială le dă o formă cvasisferică, fiindcă sfera are cel mai mic raport între aria suprafeței și volum >>>STRATUL SUPERFICIAL=membrană elastică ce tinde să micsoreze suprafata

Efectele tensiunii superficiale • Plutirea de obiecte mai dense ca apa are loc când obiectul nu se umezește și greutatea sa este suficient de mică pentru a fi contrabalansată de forțele ce rezultă din tensiunea superficială.

Efectele tensiunii superficiale • Separarea uleiului de apă este cauzată de o diferență între tensiunile superficiale ale lichidelor diferite.

Forta de tensiune superficiala

• Pentru menținerea unei membrane întinsă în echilibru static, la marginea ei trebuie să existe o forță F, tangentă la suprafața lichidului și normală la marginea suprafeței =forță de tensiune superficială.

Forta de tensiune superficiala F≈l • σ =coeficient de proporționalitate, numit coeficientul de tensiune superficială, • F=σl   •  Coeficientul de tensiune superficială: •  



F l

Forta de tensiune superficiala • Astfel, pentru a crește aria suprafeței libere a unei mase de lichid cu o cantitate, ΔA, este necesară o cantitate de lucru mecanic L •  Acest lucru mecanic se transformă în  energie potențială. • Cum sistemele mecanice izolate încearcă să găsească o stare de energie potențială minimă, potrivit principiului minimei acțiuni, o picătură liberă de lichid preia în mod natural o formă sferică, formă de suprafață minimă pentru un volum dat.

Forta de tensiune superficiala O membrană de lichid dreptunghiulară întinsă pe un cadru rigid de înălțime l, înălțimea mobilă și de masă neglijabilă

• În vederea determinării lucrului mecanic necesar pentru a mări aria membranei superficiale de lichid cu o cantitate ΔA, se deplasează prin translație latura mobilă a membranei pe o distanță ΔS sub acțiunea unei forțe externe F •  Procesul de întindere a membranei este unul cvasistatic, de aceea, această forță este permanent în echilibru cu rezultanta forțelor de tensiune superficială care se opun deplasării spre dreapta.

Forta de tensiune superficiala

L  F  S

F  l

L    l  S

L    A E    A

E   A

Coeficientul de tensiune superficiala



F l

E   A

Coeficientul de tensiune superficiala Depinde de natura lichidului Tensiunea superficială a diferitelor lichide în la suprafața de contact cu aerul. mN/m. Lichid

Temperatură °C

Tensiunea superficială

Acid acetic

20

27.6

Apa

20

72,8

Benzina

20

28,8

Acetonă Dietil eter Etanol Glicerina Izopropanol Mercur Metanol Ulei de masline

20 20 20 20 20 15 20 20

23.7 17.0 22.27 63 21.7 487 22.6 32,1

Coeficientul de tensiune superficiala Depinde de concentrația soluțiilor. Solvații pot avea • • • •

efecte asupra tensiunii superficiale în funcție de structura lor: Efect redus sau inexistent, cum e cazul zahărului Creștere a tensiunii superficiale, ca la sărurile anorganice Scăderea progresivă a tensiunii superficiale, ca la alcooli Scăderea tensiunii superficiale până la un punct dincolo de care nu mai au niciun efect, cum este cazul surfactanților

Observatie Ceea ce complică acest efect este faptul că un solvat poate exista în concentrații diferite la suprafață și în masa soluției. Această diferență variază de la un amestec solvat/solvent la altul.

[

Coeficientul de tensiune superficiala Tensiunea superficială a diferitelor lichide în dine/cm la suprafața de contact cu aerul mN/m Temperatură Lichid Tensiunea superficială °C Acid acetic 20 27.6 Acid acetic (40.1%) + apă 30 40.68 Acid acetic (10.0%) + apă 30 54.56 Etanol 20 22.27 Etanol (40%) + apă 25 29.63 Etanol (11,1%) + apă 25 46.03 Clorură de sodiu 6.0M soluție 20 82.55 apoasă Zaharoză (55%) + apă 20 76.45 Apă 20 72.8

Coeficientul de tensiune superficiala Depinde de temperatură  • Tendința generală este ca tensiunea superficială să scadă cu creșterea temperaturii, ajungând la o valoare de 0 la temperatura critică. • Există unele ecuații empirice care fac legătura între tensiunea superficială și temperatură: • Relatia Eötvös

 V

3/ 2

 k (Tc  T )

Aici V este volumul molar al substanței, TC este temperatura critică și k este o constantă valabilă pentru aproape toate substanțele k = 2.1 x 10−7. [J K−1 mol-2/3]  Pentru apă, se poate folosi  V = 18 ml/mol și TC = 374 °C. Observatie!!!! Exista si alte formule

Coeficientul de tensiune superficiala Tensiunea superficială a diferitelor lichide la suprafața de contact cu aerul mN/m Tensiunea Lichid Temperatură °C superficială Apa

0

75.64

Apă Apă Apă Apă

20 25 50 100

72.80 71.97 67.91 58.85

Coeficientul de tensiune superficiala • Daca lichidele care vin in contact au aceeasi tensiune superficiala in raport cu aerul >>> ele se amesteca Ex. Apa – alcool • Exista substante care au proprietatea de a micsora tensiunea superficiala = substante tensioactive Ex. Alcooli, acizi organici, detergenti

Coeficientul de tensiune superficiala • Coeficientul de tensiune superficială a unor lichide biologice t=200C; (mN/m) • Ser 64-65 • Urină 66-70 • Bilă 48 • Lapte 50 • Limfă 65

Fenomene de contact între lichide și solide

Unghiuri de racordare și tensiunea interfacială • Tensiunea superficială nu este doar o proprietate a lichidului, ci o proprietate a interfeței lichidului cu un alt mediu. • Dacă un lichid este într-un recipient, atunci în afara interfeței lichid/aer la suprafața de sus, există și o interfață între lichid și pereții recipientului. • Tensiunea superficială între lichid și aer este de regulă mai mare decât tensiunea superficială de la contactul cu pereții recipientului. • Acolo unde se întâlnesc două suprafețe, geometria lor trebuie să fie în așa fel ca toate forțele să fie în echilibru

Fenomene de contact • Un solid poate fi liofil fata de un lichid si liofob fata de alt lichid Exemplu Apa uda sticla si nu uda parafina Mercurul nu uda sticla dar uda o suprafata curata de fier

Fenomene de capilaritate • Capilaritatea este capacitatea unei corp poros sau a unui tub de a atrage un lichid, care apare în situațiile în care forțele de adeziune intermoleculară dintre lichid și solid sunt mai puternice decât forțele de coeziune intermoleculare din interiorul lichidului. Observatie • Capilaritatea poate induce o mișcare ascendentă a apei, contrară celei descendente induse de gravitație=ascensiunea sevei in plante.

Fenomene de capilaritate • Dacă un tub este suficient de îngust și adeziunea lichidului la pereții săi este suficient de mare, tensiunea superficială poate trage lichidul în sus pe tub, într-un fenomen denumit capilaritate. • Înălțimea coloanei ridicate este dată de relația lui Jurin

Adsorbtia • Adsorbția reprezintă în fizică fenomenul de reținere a  moleculelor unei substanțe fluide pe suprafața unui corp lichid sau solid. • Se deosebesc patru tipuri de adsorbții după natura corpului adsorbant și natura corpului adsorbit; astfel, există adsorbția solid-gaz, solid-lichid, lichid-gaz și  lichid-lichid. • Intensitatea gradului de adsorbție este direct proporțională cu presiunea și invers proporțională cu temperatura la care se află interfața adsorbant-adsorbit.

Adsorbtia • Adsorbția poate fi: • de natură fizică, numită și adsorbție fizică, la care fenomenul adsobției se datorează acțiunii  forțelor Van der Waals de atracție dintre moleculele adsorbantului și adsorbitului. Acest fenomen este similar procesului de condensare a lichidelor. • de natură chimică, adesea numită și chemosorbție, fenomen în care gazul este menținut la suprafață de forțele chimice specifice substanțelor implicate. Formarea unor legături între moleculele adsorbantului și adsorbitului se realizează prin absorbția energiei de activare.

Adsorbtia-interactiuni • Natura adsorbantului • Natura adsorbitului • Marimea suprafetei de contact – puterea adsorbanta a unui corp creste prin divizarea lui in fragmente f.f. mici • Temperatura • Tensiunea superficiala • Concentratia substantei – daca C este concentratia substantei neadsorbite si c concentratia substantei adsorbite, adsorbtia are loc pana cand se ajunge la un echilibru intre cele doua concentratii(relatia Freundich), unde K si n sunt constante ce depind de natura corpurilor

c  K C

1/ n

• Incarcarea electrica a suprafetei – adsorbtie selectiva • Incarcarea electrica a particulei adsorbite - adsorbtie selectiva

Adsorbtia-efect Orienteaza moleculele de la suprafata Modifica structura moleculelor adsorbite Se modifica proprietatile chimice Observatie Astfel se explica marirea vitezei unor reactii chimice de la nivelul suprafetei de adsorbtie

Adsorbtia-aplicatii • Carbunele activat, cu porozitate marita, se administreaza intern in afectiuni gastro intestinale, pentru a adsorbii secretii si substante nocive din tubul digestiv • Forţa de atragere a tuturor categoriilor de substante depinde atât de aria suprafeţei interne cât şi de distribuţia porilor. Aria suprafeţei este definitorie pentru gradul de activare, distribuţia porilor determină accesibilitatea. Dacă porii sunt prea mici, atunci componentele cu molecule mari nu pot trece.