ویژه های مهامکس
ویژه ها

عوامل موثر بر ترشوندگی

تاریح انتشار: ۱۸ مهر ۱۴۰۱
تعداد بازدید: ۱۳۸
دسته‌بندی: مقالات مفید

ترشوندگی پارامتری است که با استفاده از آن میزان آب‌گریزی و یا آب دوستی یک سطح را بررسی می کنند. در این مقاله قصد داریم عوامل موثر بر خاصیت ترشوندگی را بررسی کنیم.

دنیای اطراف ما از اتم­ها و مولکول­ها تشکیل شده است. الکترون­های ظرفیت یک عنصر می توانند رفتار شیمیایی عنصر را تعیین کنند. بنابراین اگر لایه ظرفیت عنصری در حالت پایدار نباشد (اوربیتال آخر آن کاملاً پر نباشد)، آن عنصر تمایل به انجام واکنش و رسیدن به یک وضعیت پایدار را دارد. عناصر به شیوه مختلفی می توانند با یکدیگر پیوند دهند. پیوند­های یونی، کوالانسی، فلزی از جمله این نیرو­ها هستند.

علاوه بر  نیروهای درون مولکولی، نیرو های بین مولکولی نیز وجود دارند. همانطور که از اسمشان مشخص است، این نوع نیروها بین دو یا چند مولکول وجود دارند. این نیروها میتوانند نیروهای هم­چسبی (Cohesive) یا دگرچسبی (Adhesive) باشند. در نیروهای هم­چسبی، مولکول­های یک جنس به همدیگر میچسبند و در دگرچسبی مولکول­های از جنس­های مختلف به همدیگر میچسبند.

مکانیزم عملکرد این نیروها بر حسب نیروهای واندروالسی است. نیروهای واندروالسی به دلیل وجود قطب مثبت و منفی و درنتیجه میدان الکتریکی باعث ایجاد نیروی جاذبه یا دافعه می شوند. بنابراین جنس این نیروها از نوع الکترواستاتیکی است. این پدیده در اصطلاح علمی­اش قطبی شدن نام دارد. به صورت اجمالی ، نیروهای بین مولکولی از نیروهای درون مولکولی بسیار ضعیف­تر هستند و بنابراین برای شکست یا تشکیل آنها انرژی کمتری نیاز است.

انواع نیروهای بین مولکولی درمولکول‌های قطبی

شکل 1- انواع نیروهای بین مولکولی درمولکول‌های قطبی؛ نیروی جاذبه میان قطب‌های ناهمنام و نیروی دافعه میان قطب‌های همنام.

 

مولکول آب به عنوان یکی از فراوان­ترین مولکول­های موجود و ویژگی های متنوع از جمله دمای نقطه ذوب و جوش، ظرفیت گرمایی ویژه، چگالی، فراوانی، قطبی بودن و بسیاری ویژگی ها جذاب دیگر یک ماده پرکاربرد در صنعت و علم می باشد. علاوه بر استفاده از آب به عنوان حلال، بدلیل ارزانی و فراوانی، از آن برای بررسی قطبی یا ناقطبی بودن، آب­دوستی و آب­گریزی و سنجش شدت نیروی همچسبی و دگرچسبی مواد نسبت به یکدیگر نیز استفاده می­شود.

یک قطره آب بر روی یک سطح آب دوست که زاویه تماس بزرگی دارد

شکل 2- تصویر یک قطره آب بر روی یک سطح آب دوست که زاویه تماس بزرگی دارد.

 

همانطور که از عبارت ترشوندگی مشخص است، توانایی تر یا خیس کردن یک مایع، یک ویژگی باطنی آن است که بیان می کند که آیا مایع مورد نظر اگر در تماس با جامدی قرار بگیرد تمایل دارد با سطح آن تماس یابد یا خیر. همانطور که اشاره شد، جنس این نوع نیروها، الکترواستاتیکی است که یعنی دو قطب مثبت و منفی به یکدیگر نیروی جاذبه یا دافعه وارد می کنند. برای درک بهتر می توان قطب­های آهنربا را در نظر گرفت که اگر قطب­ها همنام باشند یکدیگر را دفع و اگر ناهمنام باشند، همدیگر را جذب می کنند. این سطح تماس در یک بازه ای از کمترین تا بیشترین تعریف می شود، به گونه­ای که اگر دو مایع با یک سطح معین جامد در تماس قرار بگیرند، بدیهی است مایعی که سطح تماس بیشتری با جامد داشته باشد، سیالِ تَر است.

نحوه بررسی مقدار سطح تماس با اندازی گیری زاویه تماسی است که سیال با سطح می سازد. یعنی اگر یک قطره آب بر روی یک سطحی از جنس استیل ضد زنگ (مثلاً سینک ظرفشویی) ریخته شده باشد، این قطره امکان نفوذ به داخل فلز را ندارد، از طرفی این قطره نمی تواند روی تمامی سطح پخش بشود، بنابراین روی سطح به صورت قطره باقی می ماند. این قطره از سطح تماس کاملا صاف است ولی سطح بیرونی آن دارای انحنا است. زاویه­ای که سطح فلز با خط مماس گذرنده از اولین مولکول قطره می سازد ملاک تر بودن یا نبودن سیال است. اگر این زاویه کمتر از 90 باشد سیال ما غیر تَر است و اگر بیشتر از آن باشد سیال، تَر است.

تست زاویه تماس

به طور کلی عوامل موثر بر ترشوندگی  به دو دسته تقسیم بندی می شوند. دسته اول با تغییر خود ماده حل شونده، مثل اتم­های سازنده آن نیروهای بین مولکولی را تحت تاثیر قرار می دهند. این نیروها به طور کلی به سه دسته برهمکنش دوقطبی-دوقطبی، نیروی لاندن و پیوند هیدروژنی تقسیم می شوند. اگر بخواهیم نیروی بین مولکولی را افزایش دهیم، باید با تغییر شکل مولکولی، ساختار ماده را به گونه­ای انتخاب کنیم که سطح تماس مولکول های افزایش یابد. به زبانی دیگر، مولکول هرچقدر خطی­تر باشند و کروی نباشند، سطح تماس افزایش می یابد. به عنوان مثال مولکولی مانند متان با فرمول شیمیاییCH4  مولکولی کاملا غیرقطبی است زیرا که هندسه­ای کاملا متقارن دارد ولی مولکول دی کلرو متان CH2Cl2 مولکولی قطبی است چون از لحاظ هندسی متقارن نیست.

 

مقایسه میان سطح تماس در مولکول¬های کروی شکل و خطی

شکل 3- مقایسه میان سطح تماس در مولکول¬های کروی شکل و خطی.

 

همچنین هرچقدر مولکول سنگین­تر و بزرگتر باشد، نیروی دافعه الکترون­ها تاثیر کمتری خواهد داشت. همچنین در پیوند هیدروژنی هرچقدر تعداد هیدروژن­های متصل به اتم های فلوئور (F) اکسیژن (O) نیتروژن (N) و کلر (Cl) بیشتر باشد، نیرو وارده بیشتر می شود. مثلا مولکول NH3 به دلیل الکترونگاتیوی بالای F ابر الکترونی در اطراف اتم فلئور بیشتر است که یعنی به اصطلاح قطب منفی مولکول است. بنابراین می تواند به قطب­های مثبت دیگر مولکول­ها به‌­راحتی بچسبد.

دی کلرومتان یک مولکول قطبی است و متان ک غیرقطبی است

شکل 4- دی کلرومتان یک مولکول قطبی است و متان ک غیرقطبی است.

 

در دسته دوم می توان با ایجاد نقوص ساختاری، افزایش دما و حرارت­‌دهی، میدان الکتریکی خارجی، کرنش کششی و مورفولوژی سطحی به بهبود ترشوندگی کمک کرد. به گونه­ای که اگر سطح از لحاظ مورفولوژی، سطحی متخلخل باشد، مولکول­های سیال با نفوذ بیشتر به داخل ساختار باعث افزایش قدرت ترشوندگی می شوند. به عنوان مثال می توان به خوردگی آهن اشاره کرد. آهن در حضور عوامل اکسنده خورده می شود. اگر الکترولیت با آهن سطح تماس بیشتری داشته باشد، بدیهی است که خوردگی شدیدتر می شود. همین پدیده در علم الکتروشیمی و خوردگی که در سطوح متخلخل رخ می دهد، خوردگی پیتینگ (Pitting) نام دارد.

همچنین اگر به سیال و سطح گرما بدهیم و دمای آن را افزایش دهیم، ویسکوزیته سیال کاهش یافته و راحت­تر جاری می شود و در پی آن هم ترشوندگی­اش بهبود میابد. یک مثال ساده برای درک بهتر این موضوع مقایسه ترشوندگی کره جامد و کره مایع است. کره جامد به سختی بر روی نان میچسبد ولی کره مایع به راحتی می تواند به نان بچسبد.