Yüzey Gerilimi,Etkiyen Kuvvetler ve Bulunması İçin Gerekli Metotlar

Yüzey Gerilim Kuvvetleri


 Gazlarda söz konusu olmayan yüzey gerilimi sıvı ve katılara özgü bir olgudur.Kütlesel çekim kuvvetinin olmadığı bir yere örneğin uzay boşluğuna bırakılan bir miktar sıvı küre şeklini alarak hemen en küçük yüzey alanına sahip olur.
 Sıvının içindeki moleküller üzerine etkiyen çekim kuvvetlerinin bileşkesi sıfır olduğu halde sıvı yüzeyindeki moleküller sıvı içine doğru çeken net bir kuvvetin etkisi altındadır.Yüzeyi küçültmeye çalışan bu kuvvetleri yenmek için dışarıdan sıvıya enerji vermek gerekmektedir. Sabit sıcaklık ve basınçta sıvı yüzeyini 1m^2 veya 1cm^2 büyütmek için verilmesi gereken enerjiye yüzey gerilimi adı verilir.

 Bütün sıvılarda şiddeti sıvının türüne göre değişen moleküller arası çekim kuvvetleri (kohezyon kuvvetleri) bulunmaktadır. Sıvılarda iç kısımlarda (sıvının çeşitli derinliklerinde bulunan) moleküller çevresindeki komşu moleküller tarafından her yönden eşit olarak , diğer bir ifadeyle küresel simetrik şekilde, çekim kuvvetlerinin etkisi altında bulunurlar. Böylece sıvı içerisindeki bir moleküle etkiyen kuvvetler birbirlerini dengeler. Oysa sıvının yüzeyinde bulunan bir molekül (sıvı- buhar ara yüzeyi göz önüne alındığında) buhar fazındaki yoğunluk sıvı fazdan düşük olduğundan, sadece yüzeyin altındaki moleküller tarafından sıvının içerisine doğru çekilirler. Sıvı içerisindeki moleküller, yüzeydekilere göre daha fazla çekim kuvvetinin etkisi altında bulunduklarından potansiyel enerjileri, yüzeydeki moleküllerin potansiyel enerjilerinden daha düşüktür. Çünkü genel olarak bilinmektedir ki bir cisme etki eden çekim kuvvetleri ne kadar fazla ise cismin potansiyel enerjisi o kadar düşüktür.

Sıvını iç kısmındaki molekülleri yüzeye çıkararak sıvının serbest yüzeyini artırmak için, sıvı molekülleri arasındaki kohezyon kuvvetlerine karşı iş yapılmalıdır. Bunun sonucu olarak sıvının yüzey bölgesinin molar serbest enerjisi , sıvının diğer kısmının molar serbest enerjisinden yüksektir. 1805 Thomas Young sıvı yüzeyinin mekanik özelliklerinin, yüzey üzerine gerilmiş hayali bir zarın mekanik özellikleri ile ilişkilendirilebileceğini gösterdi. Böylece sıvı yüzeyi moleküller arasında mevcut olan kohezyon kuvvetlerinin sonucu olarak , bir bakımdan gerilmiş hayali bir zar gibi daima büzülmek isteyen ve mümkün olan en küçük yüzeyi almak isteyen 1molekül kalınlığında çok ince zar gibi düşünülebilir.

Bir sıvının yüzey gerilimi (g ); yüzey üzerinde sıvının yüzey genişlemesine zıt olan birim uzunluk başına kuvvetdir. Yüzey gerilimi, yüzeye paralel olarak etkir. Yüzey geriliminin SI sistemindeki birimi metre başına Newton (Nm-1) veya (1J=Nm olduğundan) Jm-2 dir. CGS sistemindeki birimi ise dyn/cm yada erg/cm2 dir. Örneğin suyun yüzey gerilimi 20 0C de 72.8 dyn/cm veya 72.8 erg/cm2 olduğundan suyun yüzeyini 20 0C de 1cm2 genişletebilmek için 72.8 erglik bir enerjiye veya 1cm boyunca sıvı yüzeyinde yer alan moleküller arası ilişkileri kesebilmek için 72.8 dyn lik bir kuvvete ihtiyaç var demektir.

Yüzey geriliminin sebebi nedir?

Bu kuvvetin kaynağı temel olarak su moleküllerini bir arada tutan moleküller arası çekici kuvvetlerdir. Suyun içinde olan moleküller her yönden komşu moleküllerle kuşatıldıkları için, üzerlerine etkiyen toplam kuvvet sıfırdır. Buna karşın, yüzeydeki moleküllerin sadece bir tarafı diğer su molekülleriyle çevrili olduğu için, bunlar içeriye doğru net bir kuvvetle çekilirler. Bu durum yüzeyde bir gerilme oluşturup yüzeyin minimum olmasını sağlar. Hacimleri eşit birçok geometrik şekil içinde yüzey alanı en az olan küredir. Su damlalarının küresel bir şekil alması da yüzey geriliminin en az yüzey oluşturacak şekilde molekülleri hareket ettirmesidir.



Yüzey Gerilimi nasıl değişir?



Sıvı üzerindeki gaz yoğunluğu çok fazla arttırıldığında veya bu sıvı üzerine bu sıvıda çözünmeyen bir başka sıvı ilave edildiğinde sıvının yüzey gerilimi karşı fazdaki moleküllerle gireceği moleküler etkileşmeler sonucu bir miktar azalacaktır.

Çoğu sıvıların yüzey gerilimleri artan sıcaklıkla doğrusal bir şekilde azalır(bazı erimiş metaller hariç ) ve moleküller arası kohezyon kuvvetlerinin sıfıra yaklaştığı kritik sıcaklık civarında çok küçük bir değer olur.

Saf bir madde içerisinde bir madde çözünüyorsa çözünen maddenin ve çözücünün karakterine bağlı olarak yüzey geriliminin değiştiği gözlenmiştir. Ayrıca yapılan incelemelerle çözünen maddenin sıvının iç kısımlarındaki konsantrasyonun birbirinden farklı olduğu gözlenmiştir ki bu beklenen bir olaydır.




Sıvı - Sıvı Arayüzey Gerilimi


Birbiri içinde çözünmeyen iki sıvı ele alalım. Bunların birbirlerine temas noktasında bir yüzey gerilimi vardır ve bu nokta ne üstteki ne de alttaki sıvıya benzemektedir. Bu sıvıların her birinin ayrı ayrı yüzey gerilimleri toplamı bu iki sıvının oluşturduğu ara yüzey geriliminden her zaman büyüktür.

Her sıvının yüzey geriliminde bir azalma olacağına göre bir başka deyişle sıvılar yüzey serbest enerjilerini azalttıklarına göre bu sıvıları birbirinden ayırabilmek için bir iş yapmak gerekir. Sıvılar farklı ise bu işe adezyon işi denir. Ve aşağıdaki gibi hesaplanır;

Bu iş sıvılar aynı ise kohezyon işi olarak adlandırılır.

Aslında kohezyon işi, bir sıvıyı ikiye bölüp yeni bir yüzey oluşturulabilmek için verilmesi gereken enerji miktarıdır.




Çözeltilerin Yüzey Gerilimi

Çözünen tanecikler içteki çözücü moleküllerinin yüzeydeki çözücü moleküllerini içe doğru çekmesini belli ölçüde engellediğinden çözeltilerin yüzey gerilimi saf çözücüye göre genellikle düşüktür. Çözücünün yüzey gerilimini düşüren maddeler yüzey aktif, değiştirmeyenler ise yüzey inaktif olarak isimlendirilmektedir. Sulu çözeltiler için yüzey aktif maddeleri; organik asitler,alkoller, esterler, eterler,aminler ve ketonlar şeklinde; yüzey inaktif maddeleri ise inorganik elektrolitler,organik asitlerin tuzları,molar kütleleri küçük olan bazlar yanında şeker ve gliserin gibi uçucu ve elektrolit olmayan maddeler şeklinde sıralayabiliriz.

Yağ asitleri gibi suyun yüzey gerilimini önemli ölçüde düşüren maddeler, hem polar hidrofilik(su seven)grup hem de apolar hidrofobik (su sevmeyen)grup ihtiva ederler. Yağ asitlerindeki –COOH grubu gibi hidrofilik gruplar, eğer molekülün kalan apolar kısmı çok büyük değilse, molekülün çözünürlüğünü arttırır. Yağ asitlerinin hidrokarbon kısımları bir sulu çözeltinin iç kısımlarında rahatsızlık duyarlar (yani yüksek bir serbest enerjiye sahiptirler) ve onlar sıvının iç kısmından yüzeye getirmek çok az iş gerektirir. Bu sebeple yüzey gerilimini düşüren bir çözünen(yüzey aktif madde), çözeltinin yüzey tabakalarında birikir. Böyle çözünenlerin ara yüzeyde “pozitif adsorblandığı” söylenir.


Yüzey Geriliminin Ölçülmesi

Yüzey gerilimi ölçümü için birbirinden farklı çok sayıda yöntem vardır.
Sıvıların kılcalda yükselmesi veya düşmesi,damla kütlelerini belirleme veya damla sayma,bir halkanın sıvıdan koparılması ve maksimum kabarcık basıncının belirlenmesi bunlardan en önemli olanlarıdır.

 Su gibi ıslatan sıvıların molekülleri ile cam arasındaki çekim kuvvetleri sıvı moleküllerinin birbiri arasındaki çekim kuvvetlerinden daha büyüktür.Sıvı ile cam arasındaki çekim kuvvetlerine adezyon kuvvetleri denir. Kılcal boruda yükselmeye bu adezyon kuvvetleri yol açmaktadır. Civa gibi ıslatmayan sıvının molekülleri ile cam arasıdaki çekim kuvvetleri sıvı moleküllerin birbiri arasındaki çekim kuvvetlerinden çok küçük kalmaktadır.
Sıvı molekülleri arasındaki çekim kuvvetlerine kohezyon kuvvetleri adı verilir.Kılcal boruda alçalmaya yol açan bu kuvvetler kohezyon kuvvetleridir.
Adezyon kuvvetinin etkin olduğu kılcallarda sıvı yüzeyi iç bükey,kohezyon kuvvetinin etkin oldugu kılcallarda ise dış bükeydir.Kılcal olmayan borularda sıvı yüzeyi düz görünür.

Yüzey gerilimi ile ilgili bazı özellikler;

• Sıcaklığı artan bir maddenin yüzey gerilimi azalır.
• İyonik tuzların suda çözülmesi yüzey gerilimini arttırır.
• Yüzey gerilimi sayesinde böcekler su yüzeyinde yürüyebilir.
• Her sıvının kendine ait bir yüzey gerilimi katsayısı vardır, ayırt edici özelliktir.