ΜΕΡΙΚΕΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΥΓΡΩΝ ΣΩΜΑΤΩΝ

Transcript

1 ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ ΜΕΡΙΚΕΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΥΓΡΩΝ ΣΩΜΑΤΩΝ Τι άραγε ζυγίζει περισσότερο; 1 L (λίτρο) νερό, 1 L πετρέλαιο κίνησης ή 1L ελαιόλαδο; Για να απαντήσουμε σε αυτό το ερώτημα αρκεί να γνωρίζουμε τις πυκνότητες των τριών αυτών υλικών. Βαρύτερο από τα τρία, είναι αυτό που έχει τη μεγαλύτερη πυκνότητα. Όπως φαίνεται από τον πίνακα που ακολουθεί βαρύτερο είναι το 1L νερό που ζυγίζει 1 Kg (κιλό). Ακολουθεί το 1L ελαιόλαδο που ζυγίζει 0,9 Kg (900 γραμμάρια) και τέλος το 1L πετρέλαιο που ζυγίζει 0,82 Kg (820 γραμμάρια). Υγρό Πυκνότητα (Kg/L) οινόπνευμα 0.8 ελαιόλαδο 0.9 νερό 1 υδράργυρος βενζίνη (varies) πετρέλαιο κίνησης 0.82 βενζόλιο νερό τετραχλωράνθρακας Όπως, άλλωστε γνωρίζουμε από την καθημερινή μας εμπειρία στο καντήλι, όπου έχουμε δύο υγρά που δεν αναμιγνύονται, η φάση του λαδιού βρίσκεται ψηλότερα από τη φάση του νερού. Επίσης αν υπάρχει σε μία δεξαμενή πετρέλαιο νοθευμένο με νερό (τα δύο υγρά δεν αναμιγνύονται), το νερό πάει στον πυθμένα της δεξαμενής. ΙΞΩΔΕΣ ΥΓΡΩΝ Η αντίσταση ενός υγρού στη ροή καλείται ιξώδες. Τα ιξώδη υγρά όπως το σιρόπι και το σαμπουάν ρέουν αργά. Τα λιγότερο ιξώδη υγρά όπως το νερό και η βενζίνη ρέουν γρήγορα. Το ιξώδες ενός υγρού εξαρτάται συνήθως από τη θερμοκρασία του. Το ιξώδες μειώνεται γενικά καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται. Αντίθετος όρος του ιξώδους, κατά έννοια και κατά μέτρο είναι η ρευστότητα. Έτσι ένα υγρό που παρουσιάζει μεγάλο ιξώδες έχει μικρή ρευστότητα, και αντίστροφα. ΦΙΩΤΑΚΗΣ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ Σελίδα 9

2 ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΗ ΤΑΣΗ ΥΓΡΩΝ Μεταξύ των μορίων του νερού (ή οποιουδήποτε άλλου υγρού) ασκούνται ελκτικές δυνάμεις που τα συγκρατούν ενωμένα. Τα μόρια που βρίσκονται στο εσωτερικό του νερού δέχονται ελκτικές δυνάμεις από όλες τις διευθύνσεις, η συνισταμένη των οποίων είναι μηδέν. Τα επιφανειακά μόρια, όμως, δέχονται ελκτικές δυνάμεις μόνο προς το εσωτερικό της μάζας του νερού, με αποτέλεσμα να συσσωρεύονται περισσότερα μόρια στο ίδιο εμβαδόν επιφανείας και να δημιουργούν ένα είδος επιδερμίδας στην επιφάνειά του, φαινόμενο που ονομάζεται επιφανειακή τάση. Η επιφάνεια του υγρού, συμπεριφέρεται σαν μια ελαστική μεμβράνη. Έτσι ερμηνεύεται το φαινόμενο να μπορούν κάποια έντομα να περπατούν στην επιφάνεια του νερού, χωρίς να βουλιάζουν. Στα πόδια του εντόμου στην εικόνα που ακολουθεί, φαίνεται καθαρά η επιφανειακή τάση του νερού, καθώς παρότι έχει παραμορφωθεί η επιφάνεια του νερού το έντομο δεν βουλιάζει. Γενικά αν παρατηρήσουμε μικρές ποσότητες υγρών θα δούμε ότι τείνουν να πάρουν σφαιρικό σχήμα, όπως οι σταγόνες της βροχής. Χαρακτηριστικότερο είναι το παράδειγμα του υδραργύρου, όπου λόγω της μεγάλης του επιφανειακής τάσης τείνει να πάρει τη μορφή σφαιριδίων. Πολλοί από εμάς, ίσως, κατά το παρελθόν είχαμε την εμπειρία ενός σπασμένου υδραργυρικού θερμομέτρου με το διασκορπισμό σφαιριδίων υδραργύρου. ΦΙΩΤΑΚΗΣ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ Σελίδα 10

3 ΚΟΛΛΟΕΙΔΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΔΙΑΣΠΟΡΑΣ Τα ομογενή και ετερογενή μίγματα χαρακτηρίζονται ως συστήματα διασποράς και προκύπτουν από την ανάμιξη δύο φάσεων: 1) Την Εξωτερική φάση ή Μέσο διασποράς: Είναι η φάση στην οποία είναι διεσπαρμένη η εσωτερική φάση (μέσο διασποράς). 2) Την Εσωτερική φάση ή Διασπειρόμενη φάση: Είναι η φάση που είναι σε διασπορά. Ανάλογα με το μέγεθος των διασπαρμένων σωματιδίων τα συστήματα αυτά ταξινομούνται σε: Αδρομερή: Με διασπαρμένα σωματίδια μεγαλύτερα από cm. Πρόκειται για ετερογενή συστήματα αποτελούμενα από ευδιάκριτες φάσεις των οποίων τα διασπαρμένα σωματίδια δεν διέρχονται από τους κοινούς ηθμούς (φίλτρα). Κολλοειδή: Με διασπαρμένα σωματίδια από cm. Στα συστήματα αυτά τα σωματίδια της διασπαρμένης φάσης διέρχονται και δεν συγκρατούνται από τους κοινούς ηθμούς (φίλτρα), αλλά συγκρατούνται από τους υπερηθμούς, ενώ είναι ορατά μόνο από ηλεκτρονικά μικροσκόπια Μοριακά ή ομογενή ή διαλύματα: μικρότερα από 10 7 cm. Σε ένα συνηθισμένο διάλυμα οι διαστάσεις των σωματιδίων της διαλυμένης ουσίας (μορίων ή ιόντων) δεν είναι μεγαλύτερες από 1, m. Στα κολλοειδή συστήματα διασποράς (ή κολλοειδή αιωρήματα), όπως προαναφέρθηκε, τα διασπαρμένα σωματίδια είναι της τάξεως 10 7 μέχρι cm δηλαδή μεταξύ 1nm και 500nm. Τα σωματίδια των κολλοειδών αιωρημάτων δημιουργούνται είτε µε συνένωση πολλών µορίων ή ατόμων ή ιόντων οπότε ονομάζονται μικκύλια), είτε µε διασπορά, μακροσκοπικά, ποσότητας ουσίας (Π.χ. η ομίχλη, ο καπνός, το νέφος που παράγεται κατά τους ψεκασμούς κ.ά.). Ο όρος κολλοειδής κατάσταση δεν αποτελεί ιδιότητα ορισμένων σωμάτων, αλλά οφείλεται αποκλειστικά στο μέγεθος των σωματιδίων µε τα οποία βρίσκεται το σώμα διασκορπισμένο μέσα στο διάλυμα (γενικά μέσα στο µέσο διασποράς). Σε αυτή την κατάσταση μπορεί να έρθει κάθε σώμα µε κατάλληλη κατεργασία. Ανάλογα µε τη φυσική κατάσταση του μέσου, στο οποίο έχει γίνει η διασπορά, τα κολλοειδή διακρίνονται σε: αερολύματα (aerosols) όταν το µέσο διασποράς είναι αέριο. π. χ. καπνός (αιθάλη και τέφρα σε αέρα) ομίχλη (νερό σε αέρα) υδρολύματα όταν το µέσο διασποράς είναι υγρό. π. χ. αφρός (αέριο σε υγρό) γαλακτώματα (νερό σε λάδι) στερεολύματα όταν το µέσο διασποράς είναι στερεό. π.χ. κράματα (στερεό σε στερεό), ζελέ (υγρό σε στερεό) Κρέμα με κολλοειδή άργυρο Κρέμα αντιγήρανσης με κολλοειδή λευκόχρυσο ΦΙΩΤΑΚΗΣ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ Σελίδα 11

4 Αναλυτικά ακολουθεί στον παρακάτω πίνακα η ταξινόμηση των κολλοειδών με βάση τη φυσική κατάσταση των φάσεων και την τεχνική ονομασία τους. Ταξινόμηση κολλοειδών συστημάτων με βάση το είδος των φάσεων Εσωτερική Εξωτερική φάση ή Μέσο διασποράς Τεχνική ονομασία κολλοειδούς Υγρό Αέριο Υγρό λύμα Παράδειγμα Ομίχλη, υγρά sprays Στερεό Αέριο Στερεό λύμα Καπνός, σκόνη Αέριο Υγρό Αφρός Πυροσβεστικός αφρός Υγρό Υγρό Γαλάκτωμα Γάλα, μαγιονέζα Στερεό Υγρό Λύμα, Πάστα (υψηλή συγκέντρωση στερεού) Αέριο Στερεό Στερεός αφρός Υγρό Στερεό Στερεό γαλάκτωμα Μπογιά, μελάνη, οδοντόπαστα Μονωτικός αφρός Ζελέ, Υλικό ασφαλτόστρωσης Στερεό Στερεό Στερεή διασπορά Χρυσός σε γυαλί Τα περισσότερα τρόφιμα αποτελούνται από κολλοειδή, όπως το ψωμί, το γάλα, το κρέας, τα λαχανικά. Η μαγιονέζα, οι διάφορες πηκτές, η κρέμα μπεσαμέλ, η κρέμα σαντιγί, οι σάλτσες είναι κολλοειδή συστήματα. Το ψήσιμο των φαγητών και το σφίξιμο του αυγού όταν βράζει, έχει σχέση με την κροκίδωση λύση των κολλοειδών. Το κρασί είναι κολλοειδές σύστημα τανίνης και χρωστικών σε νερό και οινόπνευμα ενώ,οι αλλοιώσεις του και η παλαίωσή του οφείλονται σε κροκιδώσεις. Ακόμη, το ούζο και η μαστίχα σχηματίζουν γαλάκτωμα με νερό. Μικκύλια ονομάζονται τα διεσπαρμένα τεμαχίδια ενός κολλοειδούς. Τα μικκύλια μπορεί να είναι: 1. Συσσωματώματα μορίων. 2. Μικροκρύσταλλοι 3. Μεγαλομόρια (μόρια πολύ μεγάλου μοριακού βάρους και διαστάσεων, όπως πρωτεΐνες, πολυμερή, νουκλεϊκά οξέα, πολυσακχαρίτες και άλλα τέτοια). Επίσης, ανάλογα με την ικανότητα ή όχι να προσροφούν μόρια του κύριου συστατικού και να αυξάνουν το μέγεθός τους, διακρίνονται σε: 1. Λυόφιλα (ή υδρόφιλα, αν το κύριο συστατικό είναι το νερό) αν έχουν την ικανότητα να προσροφούν μόρια του κύριου συστατικού και να αυξάνουν το μέγεθός τους. 2. Λυόφοβα (ή υδρόφοβα, αν το κύριο συστατικό είναι το νερό) αν δεν έχουν την ικανότητα να προσροφούν μόρια του κύριου συστατικού και δεν αυξάνουν το μέγεθός τους. Τα μικκύλια των κολλοειδών, ενώ είναι σχετικά μεγάλα και βαριά δεν καταβυθίζονται όπως θα περίμενε κανείς, γιατί απωθούνται αμοιβαία μεταξύ τους, επειδή έχουν εξωτερικά ομοειδές ηλεκτρικό φορτίο (θετικό ή αρνητικό). ΦΙΩΤΑΚΗΣ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ Σελίδα 12

5 Ηλεκτροφόρηση ονομάζεται η διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος μέσα από κολλοειδή διασπορά, οπότε τα ομοειδώς φορτισμένα μικκύλια κινούνται όλα προς τον ίδιο ηλεκτρόδιο (το αντίθετο του φορτίου τους, αφού αυτό τα έλκει). Κροκίδωση ή θρόμβωση ονομάζεται το φαινόμενο της εξουδετέρωσης του ηλεκτρικού φορτίου των μικκυλίων κολλοειδούς διασποράς, που έχει ως αποτέλεσμα τη συσσωμάτωση και καταβύθισή τους. Τα κολλοειδή εμφανίζουν το φαινόμενο Tyndall, δηλαδή προκαλούν περίθλαση του φωτός μετατρεπόμενα σε δευτερογενείς πηγές φωτός. Για το λόγο αυτόν τα κολλοειδή διαλύματα είναι θολά και τα σωματίδιά τους διακρίνονται με τη μορφή φωτεινών κύκλων στο υπερμικροσκόπιο. Τα κολλοειδή εμφανίζουν επίσης το φαινόμενο του πολυχρωμισμού, δίνοντας την εντύπωση ότι είναι πολύχρωμα όταν μια λευκή δέσμη φωτός πέσει παράλληλα στο διάλυμα, ενώ κανονικά είναι άχρωμα. Το φαινόμενο οφείλεται στο σκεδασμό του φωτός λόγω της περίθλασής του στα σωματίδια. ΟΙ ΑΦΡΟΙ Οι αφροί είναι συστήματα διασποράς τα οποία αποτελούνται από φυσαλίδες αερίου που διαχωρίζονται μεταξύ τους με λεπτά τοιχώματα. Τα τοιχώματα αυτά είναι συνήθως υγρά, αλλά είναι δυνατόν να είναι και στερεά. Οι φυσαλίδες έχουν ποικίλο μέγεθος και σχήμα. Η διάμετρος μπορεί να είναι μερικά μικρά (μm) μέχρι αρκετά εκατοστά (cm) και το σχήμα τους από σφαιρικό μέχρι μη κανονικό πολυεδρικό. Οι φυσαλίδες στους αφρούς δημιουργούνται με διάφορους τρόπους, π.χ. με ανάδευση, με ανατάραξη ή με διαβίβαση αερίου σε ένα υγρό. Όλα σχεδόν τα φυσικά υγρά μπορούν να δώσουν αφρούς, π.χ χυμοί φρούτων και λαχανικών. το φυσικό καουτσούκ, το αργό πετρέλαιο, το άσπρο του αυγού, το γάλα. Η πλέον, αξιοσημείωτη εξαίρεση υγρού που δεν δίνει αφρό είναι το καθαρό νερό. Εάν θέλουμε να έχουμε αφρό με καθαρό νερό, θα πρέπει να ενσωματώσουμε ένα τρίτο υλικό, ένα αφριστικό μέσο (foaming agent). Κυριότερα αφριστικά μέσα είναι: σαπούνια, πρωτεΐνες, σαπωνίνες και πολυμερή, στερεά τεμαχίδια. Τα αφριστικά μέσα συσσωρεύονται στη διεπιφάνεια αερίου/υγρού και είτε μειώνουν την επιφανειακή τάση είτε αυξάνουν την ανθεκτικότητα των φυσαλίδων. Συγκεκριμένα, οι σάπωνες, όπως θα αναφερθεί αναλυτικά σε επόμενο κεφάλαιο, μειώνουν την επιφανειακή τάση και συμβάλουν στη δημιουργία επιφανειακών υμένων. Οι πρωτεΐνες, τα πολυμερή και οι σαπωνίνες, εκτός από τη μείωση της επιφανειακής τάσης, αυξάνουν τη σταθεροποίηση με τη μερική στερεοποίηση των διαχωριστικών τοιχωμάτων. Τα τεμαχίδια στερεού (αιθάλη, σάπωνες βαρέων μετάλλων και άλλες υδρόφοβες σκόνες με μέγεθος μικρότερο των 5 μm) εμποδίζουν την προσέγγιση των φυσαλίδων και αποτρέπουν τη συνένωση τους. Σκευάσματα υπό μορφή αφρού, χρησιμοποιούνται για το ξύρισμα (shaving foam), το χτένισμα (hair styling mousse). το λούσιμο της κεφαλής (shampoo) και για το πλύσιμο του σώματος (bath). Οι δύο τελευταίες κατηγορίες σκευασμάτων είναι υγρά που αφρίζουν όταν χρησιμοποιούνται, ενώ οι δύο πρώτες κατηγορίες είναι αφροί που φέρονται σε συσκευασία υπό πίεση (αεροζόλ). Στην περίπτωση του αφρού αεροζόλ το προωθητικό αέριο είναι εν μέρει διαλυμένο σε υγρή ημιστερεή μάζα λόγω της υψηλής πίεσης και όταν μειωθεί η ΦΙΩΤΑΚΗΣ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ Σελίδα 13

6 πίεση, αφού ανοίξουμε το δοχείο, το διαλυμένο αέριο εκλύεται και δίνει αφρό. Σημαντικός παράγοντας για την καλή ποιότητα των σκευασμάτων αυτών είναι το ιξώδες του παραγόμενου αφρού. Εάν το ιξώδες είναι πολύ μεγάλο, υπάρχει κίνδυνος μπλοκαρίσματος της οπής εξόδου, ενώ εάν το ιξώδες είναι πολύ μικρό, ο αφρός δεν θα μένει στη θέση του κατά τη διάρκεια της χρήσης του. Με τα υγρά σκευάσματα που χρησιμοποιούμε για το λούσιμο των μαλλιών (shampoo) δημιουργούμε τον αφρό πάνω στο κεφάλι. Οι φυσαλίδες του αφρού παίρνουν και συγκρατούν τα υδρόφοβα τεμαχίδια της βρωμιάς. στη συνέχεια απομακρύνουμε τον αφρό με ξέπλυμα και ταυτόχρονα απομακρύνουμε μηχανικά και τη βρωμιά. AEROSOLS (ΑΕΡΟΛΥΜΑΤΑ) Αεροζόλ (αερόλυμα, σπρέι) είναι ένα αιώρημα στερεών ή υγρών σωματιδίων σε ένα αέριο ή στον αέρα. Τα αιωρήματα είναι τόσο μικρά (μεγέθους κολλοειδών διαστάσεων), ώστε να μπορούν να αιωρούνται για μερικές ώρες στον αέρα μέχρι να κατακαθίσουν. Η λέξη αεροζόλ χρησιμοποιήθηκε αρχικά για την ονομασία του νέφους που εξέρχεται από τον υποδοχέα του αεροζόλ και αργότερα για την ίδια τη συσκευασία. Σήμερα χρησιμοποιείται γενικά για όλες τις συσκευασίας υπό πίεση που κατανέμουν ένα προϊόν µέσω βαλβίδας υπό μορφή τεμαχιδίων ή αφρού µε τη βοήθεια προωθητικών ουσιών. Πολλές από αυτές τις συσκευασίας δεν έχουν πλέον καμία σχέση µε τον ορισμό του αεροζόλ. Το όλο σύστημα λειτουργεί µε τον παρακάτω τρόπο που φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Ένα μέρος της προωθητικής ουσίας βρίσκεται υπό υγρή μορφή και χρησιμεύει και ως διαλύτης ή µέσο διασποράς της δραστικής ουσίας. Ένα άλλο μέρος της προωθητικής ουσίας βρίσκεται υπό αέρια μορφή επάνω από την υγρή φάση στην οποία εξασκεί κάποια πίεση. Αν πιεστεί η κεφαλή ψεκασμού, η αέρια φάση της προωθητικής ουσίας πιέζει την υγρή φάση του μίγματος προωθητικής και δραστικής ουσίας διά του σωλήνα ανόδου της βαλβίδας προς τα έξω. Στον αέρα η προωθητική ουσία εκτονώνεται αμέσως, εξατμίζεται, και η παραμένουσα δραστική ουσία κατανέμεται ομοιόμορφα υπό μορφή πολύ μικρών σωματιδίων. Ως προωθητικές ουσίες χρησιμοποιούνται: 1. Υδρογονάνθρακες (προπάνιο, βουτάνιο). Οι ουσίες αυτές δεν είναι τοξικές. δεν βλάπτουν την υγεία, αναφλέγονται όμως εύκολα. 2. Συμπιεσμένες προωθητικές ουσίες (διοξείδιο του άνθρακα και μονοξείδιο του αζώτου) σε περιορισμένη κλίμακα. ΦΙΩΤΑΚΗΣ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ Σελίδα 14