Madde Özelliklerine Yüzeyin Etkisi

Aralık 24, 2018, 10:09 am
12 dakika


Ömer Edip Kuzugüdenli

Endüstriyel Kimya Anabilim Dalı Başkanı
Erciyes Üniversitesi 
Fen Fakültesi 
Kimya Bölümü 

 

Yüzey hemen herkesin her gün defalarca kullandığı veya duyduğu bir sözcüktür. Buna rağmen,“yüzey nedir?” diye bir soruyla karşılaştıklarında insanların çoğu uygun bir tanım yapmakta zorlanır. Verilen yanıtların çoğu da eksik, hatta eğlendirici olabiliyor: “Bir şeyin dış tarafı.” “Maddelerin görülebilen kısmı.” Cisimlerin dokunabileceğimiz tarafı.” “Nesnelerin üst kısmı, masanın üstü gibi.” “Havayla temas eden şeyler.” Gerçekte bu tanımların hepsi de yetersizdir ve yüzey tanımı yukarıda belirtilen şartlarla sınırlı kalamaz.

Bu yazıda işlenen konunun da gereği olarak daha kapsamlı bir tanım vermek uygun olacaktır. Yüzey, birbirine karışmayan veya sınırlı karışan, temas halindeki iki faz arasındaki geçiş tabakasıdır. Bu fazlar katı, sıvı gaz, hatta vakum olabilir. Gazla gaz veya vakumla gaz her oranda birbirleriyle karışacaklarından aralarında yüzey oluşamayacaktır. Kalan seçenekler sıvı-gaz, katı-gaz, katı-katı, katı-vakum ve birbirleriyle karışmayan veya sınırlı karışan sıvılardan (yağ-su ve butil alkol-su gibi) oluşacaktır. Kaynama noktası çok yüksek (Örneğin 350oC üzeri gibi) olan sıvıların da çok düşük buharlaşma hızları nedeniyle vakumla yüzey oluşturmasından bahsedilebilir. Yüzey için karışmayan iki faz arasındaki sınır veya temas alanı gibi daha basit bir tanım yapmakta mümkündür. Maddelerin yüzey özelliklerinin araştırılması gittikçe önemi artan bir araştırma konusu olmuştur ve kazanılan bilgiler de ilgili maddelerden daha etkili yararlanma potansiyelleri oluşturmaktadır [1-11].

Moleküller arasında meydana gelen çekme gücü nedeniyle onların birbirlerini tutması, sonuçta da sıvı ve katıların oluşması gerçekleşir. Maddelerin iç kısımlarında bulunan moleküller karşılıklı çekmeler nedeniyle denge halindedirler. Başka bir fazla temas halinde bulunan moleküllerde ise bir çekim dengesizliği söz konusudur (Şekil 1a). Bir tarafın boşluk olması halinde içe doğru net bir çekim vardır. Karşı tarafta başka tür moleküller olduğunda ise kendi türü moleküllerinkinden farklı büyüklükte bir çekim, sonuçta yine bir dengesizlik söz konusudur. Bu dengesizlik her iki faza doğru ilerlendikçe azalır ve bir noktadan sonra ihmal edilecek düzeye inerek yüzey yani geçiş tabakası sonlanır. Söz konusu dengesizlik birçok endüstriyel, hatta günlük işlemlerde olumlu veya olumsuz sonuçlar doğurur. Örneğin, katı faz molekülleri temas ettikleri sıvı veya gaz fazından atom, iyon veya molekülleri üzerlerinde tutarak dengesizliklerini azaltmak isterler. Adsorpsion olarak adlandırılan bu yüzeyde tutma işleminin birçok yararlı uygulaması vardır. Hava ve su temizleme, çözeltiden yararlı bileşenleri kazanma, endüstride şeker ve yağ saflaştırma bu uygulamalardan sadece birkaçıdır (Şekil 1b).

a                                                                                b

Şekil 1. İkinci fazın ilk tabakasındaki moleküller arasındaki çekim dengesizliği içe doğru gidildikçe azalarak ihmal edilecek duruma gelir (a). Eğer ikinci faz katı ve ilk faz bir akışkan, yani sıvı veya gaz ise, en üstteki moleküller akışkan fazın atom, molekül veya iyonlarını yakalayarak dengesizliklerini azaltmak isterler. Bu yüzeyde tutma işlemine adsorpsion denir.

Yüzey gerilimi, yüzeyde birim uzunluğa dik olarak etki eden kuvvet olarak tanımlanır ve yüzeydeki moleküller arası çekim dengesizliğinden kaynaklanır. Özellikle sıvı-sıvı veya sıvı-gaz sistemlerinde yüzey gerilimi kontrol edilerek birçok yararlar sağlanır. Sabun ve deterjan türü yüzey aktif maddeler su sevmeyen (hidrofobik) kiri su sever (hidrofilik) hale getirebilmeleri nedeniyle temizlik işlerinde kullanılırlar. İki sıvı arasındaki yüzey gerilimini düşürerek kararlı emülsiyonlar yapma veya yükselterek emülsiyonları kırma (bozma) mümkündür. Yağlama işlemiyle hareket eden katıların aşınası veya makinelerde sürtünme kuvveti azaltılabilir (Şekil 2).

Şekil 2. Hareket eden metal parçaları arası yağlanarak oluşacak sürtünme kuvveti ve aşınma azaltılabilir.

Çoğu madde polar bir sıvı, örneğin su içinde elektriksel yük kazanır. İşareti ve büyüklüğü ilgili madde ve sıvı özelliklerine bağlı olan bu yük özellikle su içinde gerçekleşen birçok endüstriyel faaliyette sistemi kontrol eden önemli parametreler arasındadır. Adsorpsion, yüzey temizleme, flotasyon, flokülasyon, süspansiyon kararlılığını kontrol ve atık su temizlemede çökelme hızını artırma bu uygulamalara birkaç örnektir (Şekil 3).

a                                 b                            c

Şekil 3. Çoğu madde polar bir sıvı, örneğin su içinde bir elektriksel yük kazanır. Bu yükün işareti ve büyüklüğü madde ve sıvının özelliklerine bağlıdır. Su içine bırakılan küçük katı parçacıkları aynı işaretli yüke sahipseler aralarında oluşacak itme kuvvetleri nedeniyle birbirlerinden uzaklaşarak kararlı bir süspansiyon oluştururlar. Tanecikler farklı işaretli yükler kazanırsa veya kazandırılırsa birleşerek irileşir ve çökelirler.

Boya üretiminde kararlılık, yani raf ömrünü artıracak ayarlamalar yine benzer prensiplerden yararlanabilir. Koruyucu kaplama öncesi yüzey hazırlama da yüzey işlemenin diğer bir alanıdır. Hatta korunmasız yüzeylerin tehditlere karşı tepkileri bile bu yüzeylerin fiziksel özelliklerine bağlı olabilmektedir (Şekil 4).

Şekil 4. Yüzeyi pürüzlü metallerde korozyon daha geniş yüzeye sahip olmaları nedeniyle düz yüzeylilere nazaran daha hızlı ilerler, en azından ilk safhalarda [5].

Konuyu inceleyecek bilgi ve teknoloji eksiklikleri nedeniyle, yirminci yüzyıl öncesinde yüzeyler bilinmeyen boyutların dünyası olarak tanımlanırdı. Günümüz teknolojik gelişmeleri yüzeyleri nanometrik boyutlara kadar fiziksel ve kimyasal açıdan ayrıntılı inceleme olanakları sağlamaktadır. Bu konulardaki yöntemler ve aletlerin isimleri uzun listeler yapacak düzeye gelmiştir. Bu isimler de çok kelimeli uzun hallerinin baş harflerinden oluşan kısaltmalar şeklini almıştır: SEM (scanning electron microscopy),
TEM (transmission electron microscopy), STEM (scanning transmission electron microscopy), LEED (low energy electron diffraction), HEED, AES, ESCA, STM, TPD, AFM, FEM ve FIM gibi. Yüzeylerin fiziksel ve kimyasal özelliklerinin daha iyi anlaşılması, yüzeylerin korunmasından yeni kimliklere dönüştürülmesi gibi amaçlara hizmet yanında çok farklı alanlarda ve boyutlarda maddelerle yapılan çalışmalara hizmet potansiyeli nedeniyle gittikçe artan önem kazanmaktadır.

Kaynaklar 
1. Kuzugüdenli, Ö.E., “Color Changing Paints,” 12th International Paint Congress, March-21-24, 2018, İstanbul.
2. Kuzugüdenli, Ö.E., ”Effect of Solvent-Filler Surface Compatibility on Paint Drying Speed,” 11th International Paint Congress, March 22-24, 2016, İstanbul.
3. Kuzugüdenli, Ö.E., “Role of Protective Surface Covering against Metal Corrosion,” IXth International Chemical Physics Congress, 14-16 Oct. 2010, İzmir.
4. Kuzugüdenli, Ö.E., Ülgen, A., “Determination of Surface Properties before Painting,” 8th International Paint Congress. 23-26 Sept. 2010, İstanbul.
5. Kuzugüdenli, Ö. E. and Ülgen, A., “Use of Spectrometric Techniques to Measure Progress of Metal Corrosion,” 8th International Electrochemistry Meeting, Antalya,
Turkey, 8-11 October, 2009.
6. Kuzugüdenli, Ö. E., “Interpretation of Potential-pH Diagrams for Industrial Applications,” 8th International Electrochemistry Meeting, Antalya, Turkey, 8-11 October, 2009.
7. Kuzugüdenli, Ö. E., “Importance and Applications of Electrokinetic Potential in Aqueous Medium, 8th International Electrochemistry Meeting,” Antalya, Turkey, 8-11 October, 2009.
8. Kuzugüdenli, Ö. E. and Ülgen, A., “Effect of Surface Smoothness on Corrosion Resistance of Metals,” 11th International Corrosion Symposium, 22-25 Oct. 2008, İzmir.
9. Kuzugüdenli, Ö. E., “Interpretations of Potential-pH Diagrams for Inhibition of Copper and Iron Corrosion,” 11th International Corrosion Symposium, 22-25 Oct. 2008, İzmir.
10. Kuzugudenli, Ö.E. and Ülgen, A., “Effect of Particle Shape on Suspension Stability,” Proceedings of the 21st International Liquid Atomization and Spraying Symposium, Muğla, Turkey, Sept. 10-12, 2007.
11. Kuzugüdenli, Ö. E. and Ülgen, A., “Effect of Abrasive Grain Properties on New Surface Preparation,” 6th International Paint Congress, Istanbul, May 17-19. 2006.
12. Meyers, D., Surfaces, Interfaces, and Colloids: Principles and Applications, 2nd ed., John Wiley and Sons, New York, 1999.
13. Shaw, D. J., Introduction to Colloid and Surface Chemistry, Butterworth-Heinemann Ltd, England, 1996.
14. Davies, J. T. and Rideal, E. K., Interfacial Phenomena, 4th ed., Academic Pres, New York. 1961.
15. Adamson, A. W. and Gast, A. P., Physical Chemistry of Surfaces, 6th ed., John Wiley and Sons, New York, 1997.

  • (gizli tutulacaktır)