İstanbul Üniversitesi, Fen Fakültesi, Kimya Bölümü Fizikokimya Laboratuvarı-I dersi, Yüzey Gerilim denemesi deney önü sunum dosyası. Ekim 2022

1. YÜZEY GERİLİM
FİZİKOKİMYA LABORATUVARI – I

2. Yüzey gerilim nedir?
• Yüzey gerilim, ya da arayüzey gerilim, iki
akışkan sathı boyunca oluşan ve
dengelenmemiş çekim kuvvetlerinden ileri
gelen gerilimdir.
• Örneğin açık havadaki bir su birikintisinde,
su içerisindeki moleküller tamamen diğer
su molekülleriyle çevrelenmiş ve her
doğrultudan eşit kuvvetle çekilir haldeyken,
su-hava ara yüzeyindeki su moleküllerine,
su içerisinden hidrojen bağları olarak etki
eden çekim kuvvetleri havadan gelenlere
nazaran çok daha kuvvetli olduğundan bu
moleküller, sürekli olarak su içerisine doğru
çekilirler. Bu gerilimden ileri gelen kuvvete
ise arayüzey gerilim denir.
2
YAHYA BAŞ, 2022, İSTANBUL ÜNİVERSİTESİ

3. Yüzey enerjisi nedir?
• Arayüzey enerjisi, bir fazın adezif kuvvetlerle
yüzey gerilimi yenerek, diğer fazın
moleküllerini kendine çekme etkinliğinin bir
ölçütü olarak ifade edilebilir.
• Örneğin su damlasını bir arada tutan kohezif
kuvvetlerden ileri gelen yüzey gerilimde, temas
ettiği diğer fazın su moleküllerini çekme
etkinliği daha yüksekse, su o faz üzerinde
dağılır. Bu durumda ikinci fazın arayüzey
enerjisi, kohezif kuvvetleri kırmada gerekli
enerjidir.
• Yüzey enerjisi kavramı genellikle katı haldeki
maddeler için kullanılmaktadır.
3
YAHYA BAŞ, 2022, İSTANBUL ÜNİVERSİTESİ

4. Yüzey gerilim mi, yüzey enerjisi mi?
• Teknik ifadesiyle ‘birim akışkan yüzey
uzunluğunu gergin tutmak için gerekli
kuvvet’, yani belli bir doğrultu boyunca
moleküller arası bağların esnemesini
sağlayan kuvvet olarak tarif edilir.
• Yüzey enerjisi ise, yüzey moleküllerinin
maddeden koparılması için gerekli
enerjiyi ifade eder.
• Dolayısıyla; yüzey gerilim
KUVVET/UZUNLUK (N.m-1) iken; yüzey
enerjisi ENERJİ/ALAN (J.m-2 = N.m.m-2 =
N.m-1) olarak formülize edilir.
4
YAHYA BAŞ, 2022, İSTANBUL ÜNİVERSİTESİ
Müller, P. & Saùl, Andres & Leroy, Frederic. (2014).
Ayrıca bkz: https://www.brighton-
science.com/blog/what-is-the-difference-
between-surface-tension-and-surface-energy-1

5. Akışkanların ıslatıcılığı
• Katı yüzey üzerindeki sıvı damlaları,
katı yüzeyin yüzey enerjisi ve sıvı fazın
yüzey gerilimi ile bağlantılı olarak
ıslanma-ıslanmama davranışı
gösterirler.
• Akışkan ıslatıcılığı için; dağılma
parametresi (S) adında bir nicelik
tanımlanır.
• Burada γs, katı yüzey enerjisini, γ1 sıvı
yüzey enerjisini, γs-1 ise katı-sıvı
arayüzey enerjisini ifade etmektedir.
• S>0 koşulu sağlandığında, sıvının katı
yüzeyini tamamen ıslatacağı söylenir.
5
YAHYA BAŞ, 2022, İSTANBUL ÜNİVERSİTESİ

6. Akışkanların ıslatıcılığı
• Katı yüzey üzerindeki sıvı damlaları,
katı yüzeyin yüzey enerjisi ve sıvı fazın
yüzey gerilimi ile bağlantılı olarak
ıslanma-ıslanmama davranışı
gösterirler.
• Ayrıca yüzey pürüzlülüğü de
ıslanabilirlik üzerinde önemli rol oynar.
Genel anlamda, pürüzlü yüzeylerin
pürüssüzlere nazaran daha iyi ıslandığı
söylenebilir.
• Yüzey pürüzlülüğü-ıslanabilirlik ilişkisi
için bkz:
https://www.biolinscientific.com/blog/
wenzel-equation-how-roughness-is-
related-to-wettability
6
YAHYA BAŞ, 2022, İSTANBUL ÜNİVERSİTESİ

7. Akışkanların ıslatıcılığı
• Katı yüzey üzerindeki sıvı damlaları, katı
yüzeyin yüzey enerjisi ve sıvı fazın yüzey
gerilimi ile bağlantılı olarak ıslanma-
ıslanmama davranışı gösterirler.
• Ayrıca yüzey pürüzlülüğü de ıslanabilirlik
üzerinde önemli rol oynar. Genel anlamda,
pürüzlü yüzeylerin pürüssüzlere nazaran
daha iyi ıslandığı söylenebilir.
• Yüzeylerin ıslanabilirliği , damlacıkların katı
yüzey ile aralarında oluşan temas açısıyla
(ıslatma açısı) ölçülerek ifade edilir. Bu açı
90o ‘den küçükse yüzeylerin hidrofilik
(ıslanabilir) büyükse hidrofobik (ıslanmaz)
hatta süper hidrofobik olduğunu
gösterebilir.
7
YAHYA BAŞ, 2022, İSTANBUL ÜNİVERSİTESİ

8. Yüzey aktif maddeler
• Temel olarak polar hidrofilik bir baş grubu ile
apolar hidrofobik kuyruk kısmından oluşan
moleküllerdir.
• Vazifeleri; çift fazlı sistemlerde iki ayrı yapıdaki
(hidrofil ve hidrofob) faz arası köprü görevi
görerek yüzeyleri uyumlulaştırmaktır.
• Bir ara yüzey komponenti vazifesi görerek
hidrofob komponentlerin suya ya da hidrofil
komponentlere tutunmasını sağlarlar. Mikro
metre boyutunda ‘misel’ adı verilen öbekler
oluşturarak, hidrofobik fazın hidrofilik fazda
dağıtılmasını sağlarlar.
• Misel oluşumu için gerekli yüzey aktif madde
miktarı, kritik misel konsantrasyonu (CMC) ile
ifade edilir.
8
YAHYA BAŞ, 2022, İSTANBUL ÜNİVERSİTESİ

9. Yüzey gerilimin sıcaklıkla değişimi: Eötvös
Bağıntısı
9
• Lorand Eötvös, molar yüzey enerjisinin
sıcaklıkla değişme hızının sabit olduğunu
ortaya koymuş ve bundan yola çıkarak
matematiksel olarak,
• Bağıntısını geliştirmiştir. Burada M,
akışkanın molar kütkesi, d kütle yoğunluğu,
tc kritik sıcaklık (yüzey gerilimin sıfır olduğu
sıcaklık değeri), t yüzey gerilimin ölçüldüğü
sıcaklık değeri, γ ise yüzey gerilim değerini
ifade etmektedir. k: Eötvos sabiti olarak
isimlendirilir.
YAHYA BAŞ, 2022, İSTANBUL ÜNİVERSİTESİ

10. Parakor
10
• Maddenin karakteristik bir özelliği olan
parakor, yüzey gerilim ölçülerek maddenin
moleküler yapısını sınamaya yarayan
matematiksel bir ifadedir.
• Geniş bir sıcaklık aralığında sabit kaldığı
fakat sıvının kimyasal yapısına göre
değişiklik gösterdiği deneysel olarak
gözlenen;
• γ = 𝐶(𝜌𝑠 − 𝜌𝑏)4
• Eşitliğinin, molar hacim ile çarpımı parakor
olarak ifade edilmektedir.
• 𝑃 = 𝑉
𝑚. γ
1
4
YAHYA BAŞ, 2022, İSTANBUL ÜNİVERSİTESİ

11. Arayüzey gerilim ölçüm yöntemleri
11
• Arayüzey gerilimi;
• Wilhelmy plakası,
• halka koparılma (Du Nouy
tensiyometre),
• maksimum kabarcık basıncı,
• damla koparılma,
• yüzey temas açısı ölçümü,
• kapiler yükselme metodu gibi çok farklı
yöntemlerle ölçülebilmektedir.
YAHYA BAŞ, 2022, İSTANBUL ÜNİVERSİTESİ

12. Damla sayma yöntemi ile yüzey gerilim
ölçümü • Traube Stalagmometresi’nde
temel mantık şudur:
• Kapiler bir kanaldan damlayarak
akan sıvıda, bir damlanın koptuğu
andaki ağırlığı, kapiler kanalın
çıkışındaki çembersel uzunluk
boyunca etkiyen yüzey gerilim
kuvvetine eşittir. Matematiksel bir
ifadeyle;
• İki sıvının yüzey gerilimleri bu
yöntemle mukayeseli olarak
ölçülürse;
12
YAHYA BAŞ, 2022, İSTANBUL ÜNİVERSİTESİ

13. Halka koparılma yöntemi ile yüzey gerilim
ölçümü
13
YAHYA BAŞ, 2022, İSTANBUL ÜNİVERSİTESİ

14. Halka koparılma yöntemi ile yüzey gerilim
ölçümü • Du Nouy halkası olarak isimlendirilen metalik
tel halka, iyice temizlenip ısıtıldıktan sonra
akışkana tamamen gömülecek şekilde daldırılır.
• Dinamometreye bağlı bir kol yardımıyla halka,
yavaşça akışkan yüzeyine doğru çekilir.
• Halkanın tam sıvıdan tamamen koptuğu andaki
kuvvet değeri dinamometreden okunur.
• Bu kuvvet, halka uzunluğuna bölündüğünde,
halka uzunluğunca etkiyen yüzey gerilim değeri
hesaplanmış olacaktır.
• Formülde k, gerilim doğrultusu etkisi ve sıvı
membran şekli etkisini kompanse etmede
kullanılan düzeltme faktörünü ifade eder.
14
YAHYA BAŞ, 2022, İSTANBUL ÜNİVERSİTESİ