تداخل المواد ( Interface ) : هو الحد الفاصل بين طورين سواءً كانا من نفس النوع أو مختلفا النوع .
والتداخل ليس سطحًا هندسيًا , لكنها طبقة رقيقة لها خصائص مختلفة عن طوري المادة على جانبي الحد الفاصل. والتداخل الشائع بين المواد هو بين الهواء والماء , الذي يظهر خاصية التوتر السطحي حيث يتصرف هذا الحد الفاصل كغشاء مرن . تشمل عمليات التداخل تبخر السوائل وعمل المنظفات و المحفزات الكيميائية , وامتزاز الغازات على المعادن .
وهذه الصورة توضح ذلك
تقسم تداخل المواد إلى قسمين رئيسيين :
1 - تداخل المواد الصلبة Solid Interface :
أ - تداخل صلب / صلب : يمكن أن تكون منتظمة ( بلورية ) على المستوى الجزيئي . يمكن أن يتفاعلا والناتج سوف يكون بينهما ( Contact Region ) . عند درجة حرارة عالية يمكن إذابة إحداهما في الآخر ( سبائك ) .
أمثلة : جسيمات المسحوق , الأحجار الكريمة , الفولاذ .
ب - تداخل صلب / سائل : يمكن أن يذيب السائل المواد الصلبة مما يؤدي إلى تكوين شحنات كهربائية . جزيئات المواد السائلة أكثر ترتبًا عند منطقة التداخل مقارنةً بالجزيئات الغير متداخلة .
أمثلة : مملغم الأسنان , ماء البحر , الجيلاتين في الماء , المواد في بلازما الدم .
ج - تداخل صلب / غاز : من الصعب أن يتحول الصلب إلى غاز . ذرات المواد الصلبة أكثر ترتبًا من جسيمات الغاز العشوائية .
أمثلة : حلوى الخطمي , الدخان , الغبار في الهواء .
2 - تداخل المواد السائلة Liquid Interface :
أ - تداخل سائل / سائل : كلاهما موائع متحركة . تنتشر المادة المذابة بينهما بنسبة معينة على حسب طبيعة التجاذب ( معامل التوزع Partition Coefficient )
أمثلة : المستحلب Emulsion , الخل , الماء والإيثيلين غليكول .
ب - تداخل سائل / صلب كما ذكرنا في تداخل المواد الصلبة .
ج - تداخل سائل / غاز : تكون جزيئات السائل غير منتظمة و لكن ليس بمثل جسيمات الغاز العشوائية . معدل التبخر والتكاثف ثابت بافتراض ثبوت درجة الحرارة والضغط .
أمثلة : الماء والهواء , الماء الغازي , الغيوم , الضباب .
والغازت لا تعتبر من المواد المتداخلة .
أنواع القوى بين المواد :
ترتبط قوى التماسك والتلاصق بخصائص الكتلة أو تلك التي ترى بالعين مجردة ( Macroscopic ) وبالتالي لا تنطبق تلك القوى على مستوى الجزيئات والذرات . فعندما يتلامس السائل مع المنضدة , ستعمل قوى التماسك والتلاصق على ذلك , فمثلًا يمكن أن ينتشر السائل على السطح ليشكل طبقة رقيقة على طول السطح في عملية تعرف باسم الترطيب Wetting .
1 - قوى التماسك Cohesive Forces : قوى تجاذب بين الجسيمات المتماثلة . مثل الرابطة الهيدروجينية بين الجزيئات والتي من الصعب أن يفلت منها جسيم واحد .
على سبيل المثال ، يسقط المطر في قطرات ، بدلاً من الضباب ، لأن الماء يحتوي على تماسك قوي يسحب جزيئاته بإحكام معًا ويشكل قطرات. تميل هذه القوة إلى توحيد جزيئات السائل ، وتجميعها في مجموعات كبيرة نسبيًا .
2 - قوى التلاصق Adhesive Forces : وهي ناتجة عن قوى تجاذب بين الجسيمات المختلفة . مثل القوى الميكانيكية والقوى الإلكتروستاتيكية ( تجاذب بسبب وجود شحنات مختلفة ) .
في حالة وجود عامل مرطب Wetting Agent , تؤدي قوى التلاصق إلى تشبث السائل بالسطح الذي يقع عليه . فعند سكب الماء على زجاج نظيف , فإنه يميل إلى الانتشار مكونًا طبقة رقيقة موحدة , وذلك لأن القوى اللاصقة بين الماء والزجاج قوية بما يكفي لسحب جزيئات الماء من تكوينها الكروي والاحتفاظ بها على سطح الزجاج .
التوتر السطحي Surface Tension :
خاصية لسطح سائل تجعلها تتصرف كورقة مرنة . يمكن ملاحظة هذه الظاهرة في شكل كروي لقطرات السوائل وفقاعات الصابون . بسبب هذه الخاصية , يمكن لبعض الحشرات الوقوف على سطح الماء . كما يمكن أن دعم شفرة الحلاقة بواسطة التوتر السطحي للماء وهي لا تعوم إلّا إذا دفعتها .
إذا كانت الجزيئات التي في السطح يمكن إزاحتها قليلًا خارج السطح , فسوف تجذبها الجزيئات الأخرى في التجاه المعاكس . يمكن اعتبار الطاقة المسؤولة عن التوتر السطحي مكافئة تقريبًا للشغل المبذول لإزالة طبقة من الجزيئات مقسومة على مساحة سطح تلك الطبقة .
الماء له توتر سطحي قدره 0.07275 جول لكل متر مربع عند 20 درجة مئوية .وبالمقارنة ، فإن السوائل العضوية ، مثل البنزين والكحول ، لها توترات سطحية منخفضة ، في حين أن الزئبق يحتوي على توتر سطحي أعلى . تؤدي الزيادة في درجة الحرارة إلى خفض القوى بين الجزيئات وبالتالي تقلل من التوتر السطحي .
يمكن أن ينظر إلى التوتر السطحي على أنه نتيجة للقوى التي تعمل على السطح وتميل إلى تقليص مساحته . وعلى هذا الأساس , يمكن أن يعرف التوتر السطحي بأنه هو القوة لكل وحدة طول والتي يجب تطبيقها على السطح لموازنة القوة الداخلية . والوحدة بحسب نظام CGS هو نيوتن/متر ويكافئ جول / متر مربع .
قانون التوتر السطحي : القوة المبذولة Fb على ضعف وحدة الطول L .
فمثلًا لنفترض القوة المبذولة على طبقة الصابون تساوي 490 داين Dyne على وحدة طول 5 سم , فإن التوتر السطحي سوف يساوي 2*490/5 = 49 داين/سم .
طاقة السطح Surface Free Energy
لزيادة مساحة سطح السائل من غير تغيير حالته الفيزيائية ومن غير تغيير درجة الحرارة , يمكننا بذل شغل مناسب تجاه التوتر السطحي . لحساب كمية الشغل لزيادة مساحة السطح . يمكننا كتابة المعادلة التالية بما أن الشغل يساوي القوة مضروبة في وحدة المسافة وبمعلومية f = 2L * Y
W = 2L * Y *D
ويمكننا اختصار 2L*D بـ A∆ وتعني الزيادة في المساحة السطحية لتصبح المعادلة A*Y = W∆
الآن سنتعبر أن رمز W تمثل طاقة السطح Surface Free Energy , ووحدتها الإيرج ( 10 مليون إيرج = 1 جول ) , و Y تمثل التوتر السطحي . و A∆ تمثل الزيادة في مساحة سطح السائل بوحدة سنتيمتر مربع . من خلال المعادلة يمكننا تعريف التوتر السطحي بأنه طاقة السطح اللازمة لزيادة مساحة سطح السائل بما يتوافق مع المعادلة .
إن جزيئات سطح السائل تمتلك طاقة زائدة مقارنةً بالجزيئات السفلية . هذه الطاقة تزداد بزيادة سطح السائل من غير تغيير للكتلة وهذا ما يعرف بطاقة السطح Surface Free Energy . وكل جزيء في سطح السائل يميل إلى التحرك إلى الأسفل للتخلص من التوتر . لهذا يتخذ شكلًا كرويًا لتقليل أكبر قدر ممكن من الطاقة .
المصادر :
- Surface Tension , Encyclopedia Britannica .
- Cohesive and Adhesive Forces , chem.libretexts.org .
- Physical Pharmacy for first level students by staff members of pharmaceutical and industrial pharmacy department , october 6 university .
ليست هناك تعليقات:
إرسال تعليق