seminarium 2

Seminarium 2 Rozpraszanie światła to zjawisko polegające na oddziaływaniu światła z materią, w wyniku którego powstaje złudzenie świecenia ośrodka rozpraszającego. Rozróżniamy rozpraszanie światła sprężyste (bez zmiany częstotliwości) i niesprężyste (zmienia się częstotliwość światła). Roztwory makrocząsteczkowe jako koloidowe wykazują zjawisko rozpraszania zwane efektem Tyndalla. W wyniku tego dochodzi do osłabienia natężenia światła przechodzącego przez warstwę roztworu. Wzór na natężenie światła po przejściu przez r-r. Gdzie: I; I0 – Natężenie światła po przejściu (I) i padającego (I0) L- grubość warstwy e- podstawa ln τ- współczynnik rozpraszania światła

Współczynnik rozpraszania światła otrzymujemy ze wzoru: Gdzie: n,n0- współczynnik załamania światła subst. makrocząsteczkowej i rozpuszczalnika c- stężenie r-ru λ- dł. fali M- masa cz. R-ru

Rozproszenie światła przez substancję makrocząsteczkową.

W przypadku cząsteczki o rozmiarach podobnych do dł. fali światła należy uwzględniać interferencję promieni rozproszonych od różnych punktów tej samej cząsteczki. I światła zależy wtedy od kąta, pod którym prowadzi się obserwacje. 135o

45o 45o

135o

1

Rozpraszanie Rayleigha Rozpraszanie światła na niejednorodnościach ośrodka, których rozmiary są znacznie mniejsze od dł światła pobudzającego. W tym rodzaju rozpraszania zderzenia fotonów są sprężyste i długość fali się nie zmienia. Pole elektryczne fali świetlnej oddziałuje na wektory w cząsteczkach lub atomach ośrodka. To Zmienne pole elektryczne wymusza drgania elektronów, a to z kolei powoduje emisję światła. Zakładamy, że cząsteczki ośrodka są nieruchome. I Zależność natężenia światła szonego (I) od częstotliwości ν

νo

rozpro-

ν Rozpraszanie Ramana

Rozpraszanie światła zachodzące ze zmianą długości fali. Jest ono wynikiem niesprężystego oddziaływania fotonów z cząsteczką rozpraszającą, któremu towarzyszy wymiana energii. Światło rozproszone zawiera poza długością fali światła padającego (λ0) także nieco dłuższe λ0 + ∆λ i krótsze λ0 – ∆λ. Także poza częstotliwością νo występują częstotliwości mniejsze νo – ∆ν i większe νo + ∆ν. Zjawisko polega na tym, że światło o energii fotonów hνo powoduje wzbudzanie cząstek substancji przez którą przechodzi. Cząsteczki te ze stanu energii Ej przechodzą do satnu El= Ej + hνo. Schemat powstania widma Rayleighowskiego przy powrocie do stanu Ej wypromieniowany zostaje foton o tej saEl mej energii hνo (rozνo νo- ∆ν νo νo+ ∆ν praszanie sprężyste). Gdy cząsteczka przejdzie do stanu o energii Ek wypromieniowany foton ma mniejszą Ek energię El – Ek = Ej h(νo –∆ν). Wtedy w świetle widmowym 2

znajduje się też linia o częstotliwości ν= νo – ∆ν i nieco dłuższej fali. Jeśli foton natrafi na cząsteczkę wzbudzoną (o energii Ek) cząsteczka wychwytuje go i przechodzi w poziom El. Przy powrocie do Ej wypromieniowuje foton o energii większej hν= νo + ∆ν. W widmie pojawi się wtedy linia o częstotliwości większej (czyli krótszej fali). Jest to linia antystokesowska, która występuje rzadziej. Dynamiczne rozpraszanie światła (DLS) W rzeczywistych strukturach cząsteczki lub ich związki wykonują chaotyczne ruchy termiczne- ruchy Browna, przemieszczając się względem określonego układu odniesienia. w wyniku tego, na skutek zjawiska Dopplera następuje poszerzenie częstotliwości światła rozproszonego w stosunku do częstotliwości światła padającego. I ν

Wyjaśnienie opiera się na zjawisku fluktuacji lokalnych. Metodę DLS wykorzystuje się do określania rozmiarów i kształtu zw. Wielkocząsteczkowych.

νo

ν

3

Sączenie żelowe Służy do przeprowadzania frakcjonowania ze względu na wielkość i/lub kształt cząsteczek, głównie białek i wielocukrów oraz produktów ich hydrolizy (peptydy, oligocukry). Rozdział ten jest wykonywany przy użyciu fazy wodnej. Frakcjonowanie przeprowadza się przy użyciu kolumny, której fazę stacjonarną stanowią elementy przestrzenne w formie usieciowanego żelu wielocukrowego (lub poliakrylamidowego) albo porowatych granulek szklanych. Po nałożeniu na żel mieszaniny białka o małych rozmiarach wnikają do wnętrza ziaren, duże natomiast nie mogą. Droga do momentu wycieku z kolumny, jaką musi pokonać każdy składnik próbki jest więc nierówna; cząsteczki o najmniejszym ciężarze mają do pokonania najdłuższą drogę i najpóźniej wyciekają z kolumny. Z kolei białka ciężkie i duże (większe od porów) wędrują szybciej (dlatego że nie wnikają do porów tylko lecą prosto do celu) i pierwsze Log. Ciężaru pojawiają się przy 1 cząsteczkowego końcu kolumny. Czą2 steczki występują w kolejnych frakcjach wycieku z kolumny. 3 Standaryzacja warunków użycia kolumny i Kalibracja kolumny wzorców mas czą1 2 3 steczkowych umożliStężenie wia przyporządkowawycieku nie tych wartości poszczególnym frakcjom wycieku z kolumny. Wykres ilustrujący przebieg sączenia żelowego 1,2,3- nr. frakcji

4

Sedymentacja Jest to zjawisko polegające na osadzaniu cząstek zawiesiny pod wpływem siły ciężkości lub odśrodkowej. Praktycznie osadzanie cząstek realizuje się w warunkach działania siły odśrodkowej, stosując wirówki. podczas wirowania probówka z zawiesiną jest ustawiona względem osi obrotu pod kątem 45o (rotor kątowy) lub prostopadle (rotor horyzontalny) Gdzie Ag- przeciążenie ν- częstotliwość r- promień wirowania g- przyspieszenie ziemskie

dla większości wirówek ν- liczba obrotów/ minutę i zakładając promień mierzony w cm:

Działająca na cząsteczki podczas wirowania siła odśrodkowa powoduje, że przemieszczają się one do dna probówki. Jest równoważona przez siłę wyporu i lepkości. r Fo- siła odśrodkowa Fw- siła wyporu Fl- siła lepkości Fo

Fw

Fl

r- promień wirówki

ω - prędkość kątowa ρr- gęstość zawiesiny ρc- gęstość cieczy (rozpuszczalnika) V- objętość cząsteczki zawiesiny f- współczynnik

5

Podczas wirowania:

Uwzględniając, że:

Fo = m ω r = ρr v × ω r 2

2

Fw = ρc ⋅ ω 2 r ⋅ V W efekcie otrzymujemy:

dr f = ω 2 r ⋅ V ( ρr − ρc ) dt A po przekształceniu: S- współczynnik sedymentacji

dr dt 2

1 d (lnr ) S= = 2⋅ dt ωr ω

(Określa on prędkość przemieszczania się cząstki zawiesiny na jednostkę przyspieszenia odśrodkowego)

Jednostką współczynnika jest Svedberg (1S= 10-13s). Przyjmując taką jednostkę możemy podać współczynnik w postaci nS. (Opisy symboli umieszczone przy schemacie wirówki na poprzedniej stronie.)

6

Równanie Svedberga-Pedersona umożliwia wyznaczanie ciężaru w oparciu o stałą sedymentacji:

R⋅T ⋅ S M= ( 1 − Vρc ) D

R- stała gazowa T- temperatura

V - objętość właściwa cząsteczki biopolimeru D- współczynnik dyfuzji

Metody sedymentacji

Wirowanie

Sedymentacja prosta

Preparatywne

analityczne

Wirowanie równowagowe (w r-rze soli met. ciężkiego np. Rb)

Wirowanie różnicowe (w przypadku buforu)

Sedymentacja prosta- stosowana w celu wymiany środowisk Dla rozdziału składników mieszaniny różniących się S stosuje się gradient izokinetyczny. Formuje się go w probówce wirowniczej z r-ru sacharozy, krzemionki lub żelu. Wirowanie w gradiencie izokinetycznym umożliwia określenie S i ciężaru cząsteczkowego.

S1 r1 = S 2 r2

S1- znany współczynnik sedymentacji S2- szukany współczynnik sedymentacji r1,r2- położenie składników po odwirowaniu

7

Sedymentacja w ultrawirówce Sedymentacja to osadzanie cząsteczek zawiesiny pod wpływem siły odśrodkowej lub ciężkości. W ultrawirówce pole siły odśrodkowej jest kilka tysięcy razy silniejsze niż pole grawitacyjne. W tych warunkach możliwa jest sedymentacja makrocząsteczek. Z pomiarów szybkości sedymentacji i dyfuzji możliwe jest wyznaczenie masz molowych ze wzoru Svedberga (p. równanie Svedberga-Pedersona)

R⋅T ⋅ S M= ( 1 − Vρc ) D

dx V = dt

V S= 2 ω x

V V= m

jest to objętość właściwa, czyli stos. objętości cząstki do jej masy.

x= ln r (przynajmniej tak wywnioskowałem z ksiązki, ale nie ręczę za to {przyp. korektora})

Metoda równowagi sedymentacyjnej

M=

RT ln CC12 2( 1 − Vρ )ω 2 ( x 2 − x1 )2

Nie trzeba wtedy znać współczynnika D, by określić masę, więc możemy sobie darować jego wyznaczanie.

Współczynnik D zależy od rozmiaru i kształtu cząsteczek dyfundujących. Mierząc D można się dowiedzieć o wielu cechach charakterystycznych mikrocząstki.

kT D= 6 πηr

η - lepkość rozpuszczalnika r – promień cząstki

8

Metody hydrodynamiczne Metody hydrodynamiczne dają nam informacje o wielkości makrocząsteczek oraz przybliżone dane o ich kształcie. W pierwszym przybliżeniu makrocząsteczki traktujemy jako kule o określonej masie, zawieszone w rozpuszczalniku o cząsteczkach o wiele mniejszych. W drugim przybliżeniu makrocząsteczki traktujemy jako elipsoidy obrotowe. Dzięki MH możemy wyznaczyć stosunek osi długiej do krótkiej elipsoidu. Lepkość roztworów makrocząsteczek Lepkość r-ru zawierającego makrocząsteczki jest większa od lepkości rozpuszczalnika. Lepkość r-rów zawierających kuliste cząsteczki nie adsorbujące na sobie rozpuszczalnika wyraża wzór Einsteina

η = η0 ( 1 + 2.5Φ ) Vc Φ= Vr

η0- lepkość rozpuszczalnika Φ- stosunek objętości Vc zajętej przez cząsteczki do objętości Vr rozpuszczalnika

W danym gradiencie prędkości na cząsteczkę o kształtach wydłużonych działa większa para sił, niż na kulistą o tej samej objętości. Roztwory zawierające takie cząsteczki mają większość lepkość od tej ze wzoru Einsteina. Cząstki o wydłużonych kształtach układają się równolegle do kierunku przepływu cieczy, co zmienia wartość η, która zależy wówczas od wielkości gradientu. Gdy η jest niestały, to mamy do czynienia z cieczą nienewtonowską Elektroforeza

v u= E u=

s⋅l t ⋅U

Metoda rozdziału mieszanin substancji oparta na zjawisku migracji jonów w zewnętrznym polu elektrycznym. Szybkość przemieszczania się cząstki zależy przede wszystkim od stosunku ładunek/masa ale także od konformacji polimeru przy stałym natężeniu pola. U- napięcie s- droga przebyta przez cząstkę l- długość nośnika rozdziału t- czas trwania elektroforezy

9

u- ruchliwość elektroforetyczna; określa prędkość migracji cząstek na jedn. nateżęnia pola.

Elektroforeza niskonapięciowa- natężenie pola do 10 V/m. Elektroforeza wysokonapięciowa- natężenie do 100 V/m Elektroforeza swobodna- rozdzielanie cząstek wskutek ich różnej ruchliwości w roztworze. Wykorzystuje się do niej naczynia typu U-rurki (met. klasyczna) lub dwóch płytek pod napięciem przyłożonych prostopadle do kierunku przepływu roztworu. Rozdział frakcji następuje wtedy po wycieku Elektroforeza w nośniku (żelowa)- zmiana usieciowania żelu i składu środowiska umożliwia rozdział ze względu na masę cząsteczkową, punkt izoelektryczny oraz biospecyficzność. Stosuje się żel poliakrylamidowy dla białek i agarozowy dla DNA. W celu uzyskania pasma rozdziału, zarówno przy białkach jak i DNA, stosujemy specyficzne barwienie lub autoradiografię. Na podstawie szybkości i kierunku migracji można poszczególne składniki zidentyfikować i rozdzielić. Rentgenografia Metoda opiera się na rejestracji obrazów dyfrakcyjnych promieni rentgenowskich, powstających wskutek interakcji promieniowania z chmurami elektronowymi atomów tworzących analizowany kryształ. Dochodzi do interferencji fal wiązki promieniowania rozproszonego przez atomy materii. Warunki Długość fali promieniowania padającego musi być porównywalna z odległością między atomami stanowiącymi centra rozpraszania 0.2- 2.5 * 10-10 m. układ rozpraszający powinien wykazywać przestrzenne uporządkowanie. Promieniowanie musi być spójne. Promieniowanie padające pod kątem θ (kąt rozbłysku) na grupę płaszczyzn sieciowych generuje wtórne, spójne promieniowanie o tej samej dł. fali pochodzące od elektronów poszczególnych atomów. Uzyskuje się interferencję tych fal w postaci wzmocnienia, co jest opisane równaθ θ niem Bragga.

n λ = 2 d sin θ d

n- 1,2,3… (nr prążka interferencyjnego) d- odległość między płaszczyznami sieciowymi θ- kąt odbicia

Wiązka przechodząca daje na obrazie plamę centralną. Fale rozproszone dają współosiowe ciemne plamy na płycie fotograficznej. Interpretację obrazu przeprowadza się na podstaa (cos α − cos α 0 ) = h λ wie równań Lavego.

b (cos β − cos β 0 ) = k λ b (cos γ − cos γ 0 ) = lλ

a,b,c- stałe sieciowe wzdłuż osi krystalograficznych α0,β0,γ0,α,β,γ- kąty między odpowiednio padającą i ugiętą wiązką a osiami krystalograficznymi

10

h, k, l-stałe

Spektroskopia molekularna To instrumentalna metoda pomiaru wykorzystująca promieniowanie elektromagnetyczne jako źródło informacji o ośrodku, przez które przechodzi. Całkowita zmiana energii cząsteczek wynosi:

∆E = ∆E e + ∆E o + ∆E r E

A

Ee, Eo, Er- energia elektronów, oscylacji, rotacji

B

A

Poziomy elektronowe

B

A

Poziomy oscylacyjne

B Poziomy rotacyjne

Przejście między poziomami, związane z absorpcją, wymaga spełnienia warunków: 1. Energia promieniowania powinna odpowiadać różnicy energii między poziomami 2. przejście energetyczne między poziomami muszą spełniać kwantową regułę wyboru.

E = hν c = λν

h- stała Plancka λ- długość fali ν- częstotliwość c- prędkość światłą E- energia fotonu

Wzbudzenie przejść elektronów odpowiada energii fotonów w zakresie 210eV. Zmiany energii oscylacyjnej są kilka rzędów mniejsze.

∆E e ≈ 10 3 ∆E o

∆E e ≈ 10 9 ∆E r

Spektrografia elektronowa (w tym temacie nic nie napisał poza tytułem)

11

Spektrografia w podczerwieni (IR) Stosuje się promieniowanie w zakresie tzw. Średniej poczerwieni; 2.5-50 µm. Pochłanianie promieniowania z tego zakresu fal może powodować oscylację położeń atomów wzdłuż wiązania, co prowadzi do pojawienia się drgań walencyjnych a także oscylacje względem osi wiązania zwane deformacyjnymi. Podczas oscylacji zmienia się wzajemne położenie atomów w cząsteczce, co prowadzi do zmian rozkładu ładunku w molekule, a tym samym do zmiany jej momentu dipolowego. Takie drgania są aktywne w podczerwieni. Drgania normalne- drgania, podczas których ruch atomów lub grup funkcyjnych odbywa się w zgodnej fazie z jednakową częstotliwością. Liczba drgań normalnych w N-atomowej cząsteczce wynosi 3N – 6. prawie wszystkie drgania (walencyjne, deformacyjne) można przypisać określonym grupo atomów. W widmie występują pasma absorpcji charakterystyczne dla określonych wiązań w odniesieniu do grup atomów w cząstce. Dzięki temu widmo fal podczerwieni umożliwia określenie struktury i konformacji cząsteczki.

12

Praca układu oddechowego Wyznacza się ją metodą planimetryczną (przez pomiar pola). Rejestruje się ulegające podczas oddychania zmianie ciśnienie wewnątrzpłucne oraz odpowiadające tym ciśnieniom objętości płuc (przez pomiar powietrza wdychanego i wydychanego) Na ciśnienie p wykonujące pracę składa się: • ciśnienie psp pokonujące opory sprężyste • ciśnienie pnp pokonujące opory niesprężyste (np. tarcia)

W = ∫ p sp dV + ∫ pnp dV Z obliczenia pierwszej całki:

1 W sp = ( p0 + pt )Vt 2 0 D

A

Wsp- praca przeciw siłom sprężystym Pt- ciśnienie wewnątropłucnowe po wprowadzeniu do płuc powietrza o objętości Vt P0- ciśnienie początkowe 0

D

A

B

C

E

B

C

Pole ACDO– praca wykonana przeciw oporom sprężystym podczas wdechu Pole ABCA– praca przeciw oporom niesprężystym przy wdechu Pole ACEA- praca przeciw oporom niesprężystym przy wydechu Z prawa Hooke’a

1 ∆V C ∆V C= ∆p ∆p =

C- podatność płuc; wyraża zmianę objętości płuc wywołaną jednostkową zmianą ciśnienia sprężystego

Cała praca uruchamiająca płuca i powietrze wynosi ok. 0.5J na jeden cykl oddechowy.

13

Wymiana gazów oddechowych między krwią a pęcherzykami płucnymi odbywa się na zasadzie dyfuzji. Zasadniczą rolę odgrywa w tym procesie rozpuszczalność gazów we krwi, która podlega w przybliżeniu prawu Henry’ego Stężenie gazu rozpuszczonego w cieczy jest w stanie równowagi proporcjonalnie do ciśnienia cząstkowego (p) gazu pozostałego nad cieczą niezależnie od obecności innych gazów.

C = α⋅ p

C- stężenie gazu w cieczy α- współczynnik rozpuszczalności gazu, zależy od temperatury, ciśnienia, rodzaju gazu i cieczy.

Podczas wdechu dostaje się do płuc ok. 0.5l powietrza. Z tego 0.12l zostaje w przestrzeni martwej. Pozostałe 0.38l miesza się z powietrzem w przestrzeni czynnościowej zalegającej płuca. Skład powietrza atmosferycznego różni się od tego w płucach. O2 21 20

CO2 Przestrzeń martwa

0.04

Liczby to ciśnienia cząstkowe O2 i CO2 (kPa)

Przestrzeń pęcherzykowa

4

13.3 Krew żylna

5.3 Krew

5.3

13.3 tętnicza

Krew żylna

6.1

5.3

Krew tętnicza

Szybkość dyfuzji gazów z pęcherzyków do krwi wyraża się strumieniem objętości dV/dt gazu dyfundującego poprzez błony pęcherzyków i ściany naczyń do krwi i jest proporcjonalny do pa różnicy ciśnień gazu w pęcherzykach i pc w naczyniach włosowatych

dV = Dm ( pa − pc ) dt

Dm- zdolność dyfuzyjna0 wyraża objętość gazu dyfundującą w jednostce czasu prze jednakowej różnicy ciśnień cząstkowych.

Szybkość dyfuzji gazu zależy od różnicy ciśnie cząstkowych między pęcherzykami a krwią. Na tę różnicę w dużym stopniu wpływa przepływ krwi przez naczynia włosowate. Krew zabierająca O2 nie dopuszcza do wyrównania ciśnień. Hb wykorzystuje różnicę ciśnień wiążąc O2 i oddając CO2.

14

V Vd

b

a

c

krzywa a- zależność objętości od ciśnienia za które odpowiedzialne są wyłącznie siły sprężystości ścian pęcherzyków. krzywa b- wyłącznie napięcie powierzchniowe powłoki pęcherzyków płucnych. krzywa c- wypadkowa powyższych

t

Dalszemu wzrostowi objętości ponad Vd przeciwstawiają się prawie wyłącznie siły sprężystości podczas deflacji po przekroczeniu punktu t pęcherzyki zapadałyby się skokowo jednak tak się nie dzieje. Zmieniające się napięcie powierzchniowe pęcherzyków zabezpiecza przed skokowymi zmianami. Ściany pęcherzyków pokryte są surfaktantami. p

Wdech 1. Zwiększa się objętość pęcherzyków 2. maleje grubość surfaktantów 3. zwiększa się napięcie powierzchniowe (zgodnie z prawem Laplace’a większe ciśnienia, które wspomagane ciśnieniem sprężystym tkanki płucnej pozwala na utrzymanie równowagi z ciśnieniem napierającym) Wydech 1. zmniejsza się powierzchnia pęcherzyków 2. rośnie grubość surfaktantu 3. napięcie powierzchniowe spada, tym samym spada ciśnienie- zmniejszanie objętości w sposób ciągły może odbywać się w stałej równowadze z ciśnieniem śródpęcherzykowym bez obawy zapadnięcia się pęcherzyków. Inflacja- w pierwszej fazie płuca są mało podatne na odkształcenia, potrzebne jest pewne ciśnienie wstępne (ciśnienie otwarcia dla przezwyciężenia sił adhezyjnych wielu zapadniętych małych pęcherzyków). W następnej fazie V rośnie wraz ze wzrostem ciśnienia nieznacznie, po czym gwałtowniej, co wiąże się z rekrutacją pęcherzyków. Najpierw wypełniają się mniej oporne większe, a potem mniejsze. Włączają się siły sprężystości i wzrasta napięcie powierzchniowe.

15

Deflacja- ciśnienie spada gwałtownie przy nieznacznym spadku objętości. Płuca są mało podatne na zmiany V. siły naprężeń sprężystych rozciągniętych włókienek białkowych gwałtownie maleją. Przy spadku objętości i ciśnienia nie dochodzi do zapadnięcia płuc, bo w miarę zmniejszania się pęcherzyków napięcie powierzchniowe zapewnia ciągłą zmianę objętości, przy ciągłej zmianie ciśnienia. Rola ciśnień wewnątrzopłucnowego i śródpęcherzykowego Ciśnienie powietrza w pęcherzykach płucnych czyli ciśnienie śródpęcherzykowe pp jest większe od wewnatrzopłucnowego pop panującego w przestrzeni opłucnowej. Ta różnica ciśnień p= pp - pop rozciąga płuca działając przeciw naprężeniom sprężystym tkanki płucnej. W stanie równowagi ciśnienie sprężyste tkanki płucnej psp jest równe różnicy psp = pp - pop. W stanie spoczynku pp jest równe atmosferycznemu. Rozciągnięte płuca wypełniają wtedy całą klatkę piersiową tak, że opłucna płucna przylega do ściennej. Wdech 1. mięśnie oddechowe powiększają V klatki piersiowej 2. pop się zmniejsza 3. pęcherzyki się rozszerzają 4. zmniejsza się pp 5. powietrze zostaje zassane do pęcherzyków aż do momentu wyrównania ciśnienia z atmosferycznym Wydech 1. rozluźnienie mięśni, spada V klatki piersiowej 2. siły sprężyste rekrutacyjne zmniejszają V pęcherzyków 3. pop rośnie 4. pp z powodu rozluźnienia mm. staje się dodatnie i wypycha powietrze z płuc aż do zrównoważenia z atmosferycznym objętość oddechowa (spokojny oddech) ok. 0.5l (VT) wentylacja minutowa (spokojny oddech)

VT około 8 l/min (przy wysiłku ro∆t

śnie).

16

Zjawisko napięcia powierzchniowego Energia powierzchniowa właściwa to inaczej napięcie powierzchniowe. Stycznie do powierzchni cieczy działają siły napięcia powierzchniowego, które starają się zmniejszyć swobodę poruszania się cieczy. Weźmy ramkę z drutu zawierającą ruchomą część o dł. L. L

F

wypadkowej siły napięcia wzdłuż którego są zaczepione

Po zanurzeniu jej w r-rze mydła na powierzchni otrzymamy błonkę. Siły napięcia powierzchniowego błony będą się starały zmniejszyć swobodną powierzchnię cieczy dlatego ∆x ramka zostanie pociągniętą w górę. Aby utrzymać stałe pole powierzchni musimy pociągnąć ramkę - zadziałać siłą o wartości F. Zrównoważymy wtedy wypadkową sił napięć Powierzchniowych zaczepionych wzdłuż ramiona o długości L. Zwiększenie pola błony o ∆S=L* ∆x wymaga zatem wykonania pracy W=F* ∆x stąd napięcie Powierzchniowe σ wyraża wzór: do

∆W  J  F  N  σ= =   2   ∆S  m  L  m 

długości

stosunek odcinka,

Na granicy cieczy oraz ciała stałego i gazu obserwuje się zakrzywianie powierzchni cieczy. Ciśnienie pod zakrzywioną powierzchnią jest inne niż pod płaską. W przypadku powierzchni wypukłych na ciecz działa ciśnienie większe, a w przypadku wklęsłych mniejsze niż przy powierzchniach płaskich. Nadwyżka ciśnienia p dla cieczy w kształcie kuli wyraża wzór Laplace’a

2σ p= r p = σ(

σ- napięcie powierzchniowe r- promień kuli

1 1 ) + R1 R2

wersja dla cieczy o różnych krzywiznach

17

Siły adhezji występują na granicy zetknięcia się różnych cieczy i ciała stałego, sprawiają że wyróżniamy: • ciecze zwilżające - rozlewają się po pow. ciała • ciecze niezwilżające - tworzą krople Ciecz zwilża ciało stałe gdy jej energia powierzchniowa właściwa (napięcie powierzchniowe) jest mniejsza od energii powierzchniowej właściwej ciała stałego. Ciecz rozlewa się po ciele zmniejszając jego powierzchnię swobodną a tym samym energię powierzchniową. Jej kosztem zwiększa się energia powierzchniowa cieczy do momentu aż układ znajdzie się w stanie równowagi. Odwrotnie dla cieczy niezwilżającej. Adsorpcja -siły międzycząsteczkowe rozpuszczalnika są większe od sił międzycząsteczkowych substancji rozpuszczonej. Substancja rozpuszczona gromadzi się wtedy na powierzchni rozpuszczalnika. Warstwa adsorbowana zmniejsza napięcie powierzchniowe cieczy Zmniejszenie napięcia powierzchniowego to aktywność powierzchniowa. Surfaktanty - substancje powierzchniowo czynne, zw. lipoproteinowe, których napięcie powierzchniowe zależy od grubości warstwy. Grubsze warstwy mają małe napięcie powierzchniowe, a cienkie warstwy mają większe napięcie przy wdechu surfaktant jest cieńszy przy wydechu - grubszy

18