Kuliah26

BEBERAPA ASPEK PENJERAPAN DALAM SISTEM CECAIR

Dalam kuliah 25 kita telah melihat apa yang berlaku kepada satu cecair tunggal apabila cecair tersebut bersentuhan dengan satu bahan lain yang tidak serasi dengannya. Kelakuan ini adalah berkaitan dengan ciri tegangan permukaan. Kelakuan yang serupa berlaku kepada larutan, meskipun tegangan permukaan dipengaruhi oleh kehadiran bahan larut.

Elektrolit biasanya meninggikan tegangan permukaan. Bahan organik biasanya menurunkan tegangan permukaan. Bahan amfifatik - larut dalam kedua-dua pelarut akueus dan pelarut organik - biasanya menurunkan tegangan permukaan secara mendadak pada permulaan. Bahan ini seringkali disebut sebagai bahan aktif permukaan atau surfaktan. Ini kerana ia mempunyai fungsi tertentu pada permukaan larutannya, dan kerapkali berkelakuan unik terhadap kepekatannya.

Ketakserasian antara cecair A dengan cecair B berlaku kerana daya adhesif antara A dengan B sangat kecil berbanding dengan daya kohesif dalam A mahupun dalam B. Inilah yang menyebabkan cecair A membentuk satu fasa pukal, manakala cecair B membentuk satu fasa pukal yang lain. Bagaimanakah dengan lapisan antaramuka kedua-dua fasa ini? Apakah yang sebenarnya berlaku apabila cecair tak serasi bersentuhan antara satu sama lain?

Hakikat bahawa kedua-dua cecair ini bersentuhan menunjukkan bahawa permukaan kedua-dua cecair ini melakukan PENJERAPAN antara satu sama lain. Perkataan biasa yang paling hampir dengan PENJERAPAN adalah "perlekatan". Persoalannya ialah bagaimanakan "mekanik" perlekatan ini. Jawapannya tersingkap jika kita dapat melihat struktur/penyusunan zarah pada antara muka ini.

Kajian terperinci struktur antaramuka menunjukkan bahawa kita boleh mengelaskan jerapan kepada dua kategori yang besar: (1) Penjerapan tak melarut, dan (2) Penjerapan melarut.

Filem monolapis terkondensasi yang dibentuk oleh asid palmitik dan asid stearik pada permukaan air (pada antaramuka air/udara). Filem monolayer yang mengembang yang dibentuk oleh asid oleik pada permukaan air (antaramuka air/udara) pada kepekatan yang berbeza.

(1) Jerapan Tak Melarut Kelakuan cecair tulen, misalnya air, di dalam kapilari atau di atas permukaan kaca adalah satu contoh jerapan tak melarut. Dalam hal ini, kita melihat kelakuan air yang "terjerap" di atas permukaan kaca. Dalam jerapan tak melarut, bahan terjerap tidak melarut sedikitpun dalam bahan pukal penjerap. Interaksi cuma pada permukaan sahaja. Jika kita meletakkan setitik minyak di atas permukaan air, kita melakukan eksperimen yang sama seperti meletakkan setitik air atau setitik minyak di atas permukaan kaca. Bezanya, permukaan kaca dikatakan permukaan yang kejal, manakala permukaan air dikatakan permukaan yang lincah (mobile). Jika amaun minyak yang diletakkan itu banyak, maka dua fasa terbentuk, dan fasa minyak terletak di atas fasa air kerana ketumpatannya lebih rendah. Jika amaunnya kecil, ada beberapa kemungkinan yang berlaku. (a) Minyak mungkin membentuk buih dengan mengepung sejumlah tertentu udara di dalamnya. Dalam hal ini pelbagai antaramuka dan permukaan baru terbentuk. (b) Minyak mungkin membentuk butiran. Tegangan permukaan kedua-dua fasa memainkan peranan yang penting dalam penentua: (a) saiz butiran, (b) kestabilan butiran berkenaan. (c) Minyak mungkin membentuk satu lapisan filem. Ini adalah kategri yang paling penting dalam sains permukaan/antaramuka dan ia mempunyai aplikasi yang paling luas, sama ada yang berlaku secara semula jadi atau yang dimanipulasi oleh manusia. Dalam penyelidikan, filem yang paling mendapat perhatian ialah filem yang tebalnya adalah satu molekul bahan penjerap sahaja (dinamakan filem monolapis).

(2) Jerapan Melarut Bahan terjerap larut sedikit di dalam salah satu atau kedua-dua fasa. Struktur molekul, misalnya asid oktadekanoik, CH3(CH2)16COOH, melahirkan sifat berkutub kekal. Hujung -COO-H+ melarut dalam fasa akueus, manakala hujung hidrokarbon yang tak bercas, CH3(CH2)16-, melarut dalam fasa hidrokarbon. Isoterma Penjerapan Gibbs Ciri kuantitatif yang paling asas yang menghuraikan penjerapan pada permukaan/antara muka ialah Persamaan Gibbs. Persamaan ini dikenali juga sebagai Isoterma Penjerapan Gibbs, kerana persamaan ini berlaku untuk sesuatu suhu sahaja. Antaramuka mempunyai ketebalan tertentu; saiznya dalam magnitud saiz molekul. Pada antaramuka kepekatan bahan terjerap berubah-ubah. Ditakrifkan, kepekatan lebihan permukaan komponen-i, Gi, pada antaramuka s: Gi = nsi/A dengan nsi - kepekatan komponen-i yang berlebihan pada fasa s jika sempadan antaramuka hanyalah SS sahaja, i.e. sempadan AA dan BB bertindih dengan sempadan SS; dan A adalah luas antara muka.

Berdasarkan takrif ini, dan dengan hujah termodinamik persamaan Gibbs diperolehi (pada suhu dan tekanan tetap):

dengan: m_i - keupayaan kimia komponen-i pada antaramuka.

MISEL

Misel, atau agregat molekul, terbentuk dalam larutan surfaktan. Pada kepekatan rendah larutan surfaktan berkelakuan seperti larutan elektrolit biasa. Pada kepekatan tertentu, beberapa sifat fizikal berubah secara mendadak. Perubahan ini menunjukkan suatu fenomenon telah berlaku, dan fenomenon ini mempunyai kaitan dengan ciri-ciri zarah di dalam larutan tersebut.

Bilangan atom karbon, n, per molekul surfaktan, dan bilangan molekul surfaktan, m, per misel dalam larutan surfaktan hidrokarbon n m n m 12 33 16 60 14 46 18 78

Bagi larutan natrium dodesil sulfat pada 25°C, perubahan mendadak sifat fizik berlaku pada kepekatan berhampiran 0.01 M. Pada kepekatan rendah, larutan surfaktan berkelakuan seperti larutan biasa, termasuk fenomenon di permukaan. Zarah surfaktan tersebar dengan rawak di seluruh fasa pukal pelarut sebagai zarah individu. Apabila kepekatan semakin meningkat, zarah surfaktan mula mengagregat; mula berkumpul membentuk satu struktur tertentu yang menjejaskan taburan zarah. Pada kepekatan tertentu, agregat zarah-zarah surfaktan tersebut membentuk satu struktur tertentu. Ia dinamakan misel. Kepekatan larutan surfaktan pada tahap ini disebut kepekatan misel kritikal (critical micelle conctration - CMC). Selepas CMC, sebahagian besar zarah surfaktan berada dalam struktur misel. Sifat-sifat kezarahan misel adalah serupa dengan zarah-zarah elektrolit biasa; dengan demikian larutan tersebut masih menunjukkan sifat-sifat koligatif yang selanjar, tetapi terensot pada CMC. Misel mempunyai bentuk dan saiz tertentu, biasanya sfera. Ini bergantung kepada tabii kimia bahagian hidrofobik molekul surfaktan.