表面張力的測定

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表面張力儀
表面張力
 表面張力的定義為將表面拉伸 1 cm 之所需力,其
單位:dyne / cm、erg / cm2。
 此種力相當於勝過液體單位面積向內部之引力,
相當於:
*縮小單位面積的力
*擴張單位面積所需要的功(W)
γ=W/S
此功相當於單位面積所含之自由能。
表面張力
 分子由於相互吸引作用而凝聚成液體,在液體中
的分子四面八方都受到吸引力,但也因此每個方
向受力皆相等,合力為 0。但在液體表面的分子
所受分子間的引力並不均勻,結果合成一往液體
內的合力。
 因此,當分子從內部移到表面時需要作功。也就
是說,表面位能較高,而單位液面所高出來的表
面位能,稱之為表面張力。
蓮花效應
 蓮花效應主要是指蓮葉表面具有超疏水以及自潔
的特性。
 由於蓮葉具有疏水、不吸水的表面,落在葉面上
的雨水會因表面張力的作用形成水珠,換言之,
水與葉面的接觸角(contact angle)會大於140度,只
要葉面稍微傾斜,水珠就會滾離葉面。
蓮花效應
 在電子顯微鏡下,蓮葉的表面具有大小約 5~15 微
米細微突起的表皮細胞(epidermal cell),表皮細胞
上又覆蓋著一層直徑約1奈米的蠟質結晶(wax
crystal)。
 蠟質結晶本身的化學結構具有疏水性,所以當水
與這類表面接觸時,會因表面張力而形成水珠,
再加上葉表的細微結構之助,使水與葉面的接觸
面積更小而接觸角變大,因此加強了疏水性,同
時也降低污染顆粒對葉面的附著力。
蓮花效應
蓮花效應
 細微結構與自潔作用關聯之示意圖。
 即使同樣具有疏水性的表面,在細微結構上的水
珠會吸附著灰塵顆粒滾動,而在光滑表面上,水
珠能使顆粒移動的程度有限。
應用範圍
 目前蓮花效應的概念主要是應用在防污防塵上,
透過人工合成的方式,將特殊的化學成分加入塗
料、建材、衣料內等等,使其具有某些程度的自
潔功能,以實現拒水防塵的目的。
界面活性劑
 陰離子活性劑
 陽離子活性劑
 非離子活性劑
 兩性離子活性劑
陰離子活性劑
 主要化學結構為一個陰離子極性端做頭,另一側
則是由碳氫原子組成的非極性長鏈。
 極性與非極性液體共處時,會形成一道明顯界面,
不會互溶,這時若加入界面活性劑,則可以用其
極性端頭與極性液體分子相近,而以其尾巴的非
極性長鏈與非極性液體相吸,來打破原來互斥的
界面,所以稱作界面活性劑。
陰離子活性劑
 另外,清潔劑除了清洗油污之外,有一種很強的
清潔劑 Sodium Dodecyl Sulfate (SDS) 也常被用來
作為核酸研究之用的化學藥劑,因 SDS 可以介入
極性與非極性基團之間,是一種界面活性劑,就
是俗稱的清潔劑。
 SDS 可以把非極性尾巴鑲入蛋白質三級構造的內
部,而以其極性頭部與外界的水分子結合,因而
使得蛋白質變性。
陰離子活性劑
 在 SDS - PAGE 系統中,除了整個電泳系統含有
0.1 % SDS 外,樣本也要加入 SDS (並以
mercaptoethanol 打斷雙硫鍵) 同時加熱處理。 則
蛋白質會解構成為一條直鏈狀分子,其上並佈滿
了 SDS 的負電荷;請注意,理論上 SDS 是很均
勻的吸附到蛋白質上,因此不管原來蛋白質分子
的大小,每種蛋白質分子上所吸附的負電荷密度
是相同的。
陽離子活性劑
 典型的陽離子性界面活性劑為有機胺鹽類和第四
級銨鹽類等,前者構造式如氯化銨,但其中最少
有一個 H 原子被長鏈烷基所取代,長鏈烷基為鹼
性,但其磺酸鹽水溶液卻呈現弱酸性。後者除氮
元素之第四級銨鹽外,尚包括磷、硫等元素與四
個烷基鍵結後,以陰離子之Cl-、Br-、I-、
CH2OSO3-、C2H5OSO3-等配位結合而成。
陽離子活性劑
 純粹之第四級銨鹽應為近中性,具有極大之表面
吸附、表面活性。與其他相同碳數基之陰離性、
非離子性界面活性劑比較時,其水溶液最大,亦
即此界面活性劑本身之 HLB 值大(親水性 - 親油
性之平衡值)。再者,第四級銨氫氧化物具強鹼
性,可利用為觸媒。
陽離子活性劑 應用
 是在具有殺菌、防徽、殺蟲性者甚多。其他尚有
適合於均染緩染劑、直接染料堅牢度增進劑、織
物柔軟劑、防水劑、對於紡績之靜電防止劑、軟
式洗濯劑、塑膠凝固液之噴嘴梗塞防止及溶液之
澄清劑、硫化礦等之浮選劑、鋼之酸蝕抑制劑、
橡膠加硫促進劑等。
非離子活性劑
 前述之鹽類性除陰陽二型以外,尚有非鹽類性者,
即非電離性界面活性劑。所謂非離子活性性劑,均
為多價醇之誘導,其水溶液所具有之界面活性。
 代表性之非離子性界面活性劑如聚氧乙烯烷基醚
〔RO-(CH2CH2O)n-H〕之水溶液為酸性(pH= 5~6)。
非離子活性劑
 但一般製品仍以調製成中性者為多。其他多元醇
之脂肪酸如山梨糖脂肪酸酯,因山梨糖醇中有 5
個 – OH 基,其結合人之脂肪酸個數可自由調整,
結合數愈少對水之親和性愈大,而結合之脂肪酸
碳數,亦可由辛酸至硬脂酸任意選擇,所生之多
元醇脂肪酸酯之 HLB 值可由低值至高值間變化,
也就是可合成自油溶性至水溶性。
非離子活性劑
 而聚氧乙烷系、聚氧乙烯 - 聚氧丙烯系非離子性
界面活性劑,會因聚合度之不同,水溶液開始完
全透明溶解,但在一定溫度下會立刻變濁的現象,
亦即所謂的濁點。此乃因活性劑分子中氧化乙烯
基和水改變現象所致,在加熱至一定溫度時,產
生脫水現象而使溶解性消失。
非離子活性劑 應用
 非離子活性劑之一般應用在於合成高分子聚合合
用乳化劑、可塑劑、金屬清淨劑、纖維度保持劑、
纖維加工劑、醫藥化粧品基劑、潤滑劑,離型劑、
電染色劑等。
兩性離子活性劑
 常見的兩離子性界面活性劑的構造類似胺基酸
(RR´C(NH2)COOH),即分子中有胺基和酸基,
在酸性溶液中,分子中的胺基與酸作用而溶解;
在鹼性溶液中,酸基與鹼中和而有水溶液性,因
此純物質具有等電點。
界面活性劑之定義及特性
界面活性劑 (Surfactant):
 某物質溶於水、油或其他溶劑後,易被吸附於溶液
表面或界面,能降低溶液的表面張力或兩相間界面
張力的物質。
界面活性劑必須具有下列特性:
 臨界微胞濃度 (Critical Micelle Concentration)
 表面張力降低性
 溶化作用 (Solubilization)
 乳化作用 (Emulsitication)
界面活性劑之定義及特性
 界面活性劑是化學品中被消耗很大的一個項目,不論
是在潤滑油、食用藥劑、肥皂與清潔劑,它扮演相當
重要之角色。
 界面活性劑是兩性化合物,包括一個長碳氫的尾部及
一極性的頭端,在高濃度下(10-4 M 以上)它們會自我
排列成一集合體,我們稱 micelle ( 微胞)。這時的濃
度稱為 Critical Micelle Concentration 簡稱(CMC),正
常在水中之 micelle 親油長鏈朝向 micelle 球中心,親
水性的頭端外朝水相。
界面活性劑之定義及特性
 界面活性劑之最重要的特性是可以減小表面張力,而
產生濕潤、滲透、乳化與分散等作用。
 因此可以廣泛運用到各種工業,例如:紡織(染色助
劑)、金屬(表面處理)、塗料(油漆)、塑膠(N次貼)、食
品、化妝品、製紙、皮革、清潔(清潔劑)等工業,更
可以應用於現今熱門的奈米粒子之製造。
 表面張力測量法是適用於離子性界面活性劑及非離子
性界面活性劑。
 而CMC對清潔劑之清淨力非常重要,另外CMC在對
生物細胞膜作用研究上或是奈米技術都是扮演相當重
要的角色。
界面活性劑之定義及特性
 下圖為界面活性劑在水中,隨濃度改變之相圖,
由此圖可知,當界面活性劑溶於溶劑時,其吸附
在表面之表面張力減少,所以溶液表面張力隨界
面活性劑之濃度增加而減少,但溶液濃度增加至
CMC時,隨游離態界面活性劑濃度之增加,但其
表面張力卻以不成比例之量而減少,表面張力曲
線形成一個轉折點,此點即為此界面活性劑之
CMC值。
界面活性劑之定義及特性
C<CMC
C=CMC
C>CMC
界面活性劑之定義及特性
 當界面活性劑含有雜質時,測出來之表面張力曲線在CMC
附近將會出現一個極小值的凹陷部份,此現象可以用做界
面活性劑純度之檢查。
不含雜質
含雜質
儀器原理
 CMC之大小可以用界面活性劑之水溶液的物理化學
性質變化求得,如水的清淨力、黏度、密度、導電
度、表面張力、滲透壓、折射率、光散射等。
 吊環狀張力儀與面板型張力儀是決定CMC最簡單的
方式。
 因此本實驗將利用表面張力儀,於固定溫度下測定
白金板離開同種類但不同濃度之界面活性劑溶液所
需力量,以獲得該溶液之表面張力。
儀器設備簡介
儀器設備簡介
•緩緩將白金板置入待
測液中
白金板
•將白金板提起
•因各物表面張力不同,
對白金板所施的力亦
不同
待測液
•藉此計算出各物質的
表面張力
表面張力 實驗動畫示意圖
Surface tension
0.13
0.12
0.06
0.11
0.14
0.09
0.00
0.15
0.03
nN/m
THE END

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