This tutorial will cover surface engineering and colloids contents only

1. the equations you will be provided in the final exam; 2. the solutions to mid-term exam questions; 3. a few previous year's final exam questions/solutions; 4. some working questions we did in the lectures and tutorials. 5. a guide to the preparation of the final exam.

1.  Equa(on  list  for  surface  engineering  sec(on  

€

l =γr(cosθ )t2η

€

dldt

=rγ cosθ8ηt

€

dldt

=rγ cosθ4ηl€

ΔP = γ1R1

+1R2

⎛

⎝ ⎜

⎞

⎠ ⎟

Washburn  equa,ons  

Laplace  equa,on  

Interfacial  tension  (or  interfacial  energy),  it  has  two  types  of  ques,ons  

€

γ12 = γ1 +γ 2 −WA = γ1 +γ 2 − 2 γ1dγ 2

d − 2 γ1pγ 2

p

Lecture  20  

Lecture  20  

Lecture  18  Type  1  

Type  2  

€

WA = 2 γ1dγ 2

d + 2 γ1pγ 2

p( )

1.  Equa(on  list  (con(nue)  

€

γL 1+ cosθ( ) = 2 γ SdγL

d + γ SpγL

p( )Typical  ques,on:    

Lecture  21  

γ   θ   γ   γ   γ   γ  l   l  d  s  d  

l  p  

s  p  (   )  1   2   2  +   =   +  cos   Green  =  given  

Red  =  to  find  

€

γ sd = γDIM

1+ cosθDIM( )2

4

€

γ sp =

γW (1+ cosθW ) − 2 γWd γ s

d( )2

4γWp

These  two  equa,ons  came  from  the  top  equa,on.  They  are  NOT  provided  in  the  exam  paper!!    

Deriva,ons  in  lecture  21,  Working  Problem  2.  

Solid  surface  energy  

DIM  as  a  probe  liquid  has  γld  =  0.    

1.  Equa(on  list  (con(nue)  

€

cosθobv(Cassie ) = f1 cosθ1 − f2WeNng  of  real  surfaces  

€

f1 =1+ cosθobs

1+ cosθTypical  ques,on:    

2.  Mid-­‐term  exam  ques(ons  

•  Ques(on  2.    The  volume  of  a  molecule  to  be  4.19  Å3  (assuming  the  molecule  is  spherical  and  1  Å  =  1×10-­‐10  m).  Calculate  the  polarizability  of  the  molecule  α  and  clearly  indicate  units.      (7  marks)  

•  Ques(on  3.      A)  Calculate  the  surface  area  of  2.7  grams  of  calcium  carbonate  powder,  assuming  spherical  par(cles,  diameter  =  1  micrometer,  density  =  2.7  g/cm3)                (7  marks)  

•    B)  If  this  calcium  carbonate  powder  is  dispersed  in  water  to  a  very  low  concentra(on,  calculate  the  terminal  velocity  of  at  which  the  dispersed  par(cles  seYle.  The  density  and  the  viscosity  of  water  are  1  g/cm3  and  1  cP,  respec(vely.              (7  marks)  

•  Ques(on  4.    You  are  doing  a  microelectrophoresis  experiment  with  2  µm  diameter  latex  colloids  dispersed  in  a  0.5  mmol/L  aqueous  solu(on  of  NaCl  at  25oC.  It  takes  10  s  for  the  colloid  to  cover  a  distance  of  150  µm  in  the  microelectrophoresis  cell,  with  a  poten(al  gradient  of  15  V/cm.  

•  A)    Calculate  the  colloid’s  electrophore(c  mobility    (5  marks)  

•  B)    Calculate  the  colloid’s  Zeta  poten(al.  Define  the  units  (8  marks)  

3.  Some  previous  years’  ques(ons  and  solu(ons  

•  2010  ques(on  2.  Calculate  the  interfacial  tension  between  n-­‐decane  and  water  using  the  data  in  the  table.  (5  marks)  

•                        Water  n-­‐decane  

•  Surface  tension  γ   (mN/m)        72.8  23.9  

•  γd     (mN/m)                21.8  23.9  •  γp    (mN/m)                51.0  0  

2010  ques(on  3  

•  A  capillary  tube  with  an  internal  diameter  of  200  μm  is  inserted  into  a  water  droplet,  which  is  placed  on  a  superhydrophobic  surface.  The  internal  and  the  external  walls  of  the  capillary  tube  have  contact  angles  with  water  of  0º  and  90º,  respec(vely  (See  figure  below).  At  the  equilibrium  state,  if  the  water  surface  tension  is  72.8  mN/m,  the  water  droplet  has  a  spherical  shape  and  a  diameter  of  3  mm,  calculate  the  capillary  rise  of  water  in  the  capillary  tube  (neglect  the  height  of  the  water  droplet).  The  density  of  water  is  1000  kg/m3,  the  gravity  constant  is  9.8  m/s2.  (12  marks)  

Internal diameter d = 200 micrometers

Water droplet diameter D = 3 millimeters

d

D

hCapillary rise (h), neglect the size of the water droplet

2008  Ques(on  10  

•  10.  Calculate  the  surface  energy  of  poly(methyl  methacrylate)  (PMMA)  using  the  contact  angle  data  of  two  liquids  of  known  surface  tension  listed  in  the  table.  (8  marks)  

•                        Water    Diiodomethane  

•  Surface  tension  γ  (mN/m)            72.8  50.8  •  γd      (mN/m)                            21.8  50.8  •  γp      (mN/m)                          51.0  0  •  Contact  angles  with  PMMA            68˚      37˚  

4.  Some  working  problems  in  our  lectures  

CHE  2156                                Dr  Wei  Shen  

Working  problem  6:  Find  out  the  ra(o  of  penetra(on  velocity  between  water  and  isopropanol  using  the    θ,  γ  and  η  

data  below

   θ(˚) γ(mN/m) η(mPa.s)  

Water      35          72            1.0  Isopropanol  ~0          23          2.27    

Liquid  penetra,on    In  paper  (porous  non-­‐woven  cellulose  fibre  matrix)  

Problem  7:  Find  the  water  penetra(on  distance  in  a  cylindrical  capillary  at  0.5  sec.  

θ Assuming  contact  angle  is  30˚,  surface  tension  of  the  liquid  is  70  mN/m.  Capillary  diameter  is  200  micrometers.  Liquid  viscosity  is  1  mPa.s.    

Is  this  approach  correct?  

2010  ques(on  8  

•  Given  that  average  covalent  bonds  of  polymeric  materials  is  500kJ/mol,  if  plasma  surface  modifica(on  is  used  to  modify  the  surface,  calculate  the  temperature  of  hot  electrons  required  to  modify  the  surface.  (7  marks)  

Energies  in  a  glow-­‐discharge  plasma  vs  typical  bond  energies  

   Energy      eV  In  glow  discharge  

   Electrons      0  -­‐  20      ions      0  –  2      UV/visible    3  -­‐  40  

In  covalent  bonds      C-­‐H        4.3      C-­‐N      2.9      C-­‐Cl      3.4      C-­‐F      4.4      C=O      8.0      C-­‐C      3.4      C=C      6.1  

k  –  Boltzmann  constant  =  1.38x10-­‐23J/K  or  8.625x10-­‐4  eV/K    Te  –  electron  temperature  

 If  Te  =  104  –  105  K,  then  electron  kine,c  energy  will  be  2.07x10-­‐19  –  2.07x10-­‐18  J  or  1.3  -­‐  13  eV  

 Average  covalent  bond  energy  is  in  the  order  of  500  kJ/mol  or  5  eV  

The  way  to  prepare  the  final  exam  for  CHE  2165