Was ist Oberflächenspannung
Oberflächenspannung ist definiert als die Arbeit dW, die erforderlich ist, um eine Oberfläche um dA zu erweitern. Es ist somit ein direktes Maß für die Energie, die benötigt wird, um eine neue Oberfläche der Flächeneinheit zu bilden, d. H. Oberflächenenergie. Die Oberflächenspannung ist ein Merkmal jeder Oberfläche oder Grenzfläche, sie ist jedoch nur für Flüssigkeiten direkt messbar. Die Oberflächenspannung ergibt sich aus richtungsabhängigen Kräften von Molekülen, die sich an oder nahe der Grenzfläche befinden. Die Oberflächenspannung wird im Allgemeinen in N / m (SI-Einheit) ausgedrückt.
Typischerweise haben polare Lösungsmittel eine höhere Oberflächenspannung als ihre unpolaren Gegenstücke. Beispielsweise ist die hohe Oberflächenspannung von Wasser (72,8 mN / m bei 20 ° C) auf die starke intermolekulare Wasserstoffbindung zurückzuführen (elektrostatische Wechselwirkung zwischen den teilweise positiven Wasserstoffatomen und dem teilweise negativen Sauerstoffatom eines benachbarten Wassermoleküls). Je schwächer die intermolekularen Kräfte sind, desto niedriger ist die Oberflächenspannung (z. B. hat Oktan eine Oberflächenspannung von 21,6 mN / m). Normalerweise wird der Begriff „Grenzflächenspannung“ für die Spannung zwischen zwei Flüssigkeiten verwendet, während „Oberflächenspannung“ allgemeiner ist und sich normalerweise auf eine Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche bezieht.
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Wann ist die Oberflächenspannung relevant?
Die Oberflächenspannung beeinflusst die Eigenschaften in einem System. Je kleiner die Abmessungen eines Systems sind, desto kritischer wird die Oberflächenspannung. Beispiele umfassen Emulsionen, Nebel und Schäume, Keimbildung & Phasenbildung. Die Oberflächenspannung ist auch in größeren Maßstäben relevant, insbesondere in Bezug auf Benetzung, Adhäsion und Meniskusform. Wenn die Abmessungen im Mikro- bis Millimeterbereich liegen, ist die Dynamik durch ein Gleichgewicht von Viskosität, Dichte und Oberflächenspannung gegeben. Darüber hinaus ist die Oberflächenspannung ein leicht zu messender Parameter für die Qualitätskontrolle.
Tenside
Tenside sind Moleküle, die sich an Oberflächen oder Grenzflächen anreichern, d. h. an der Grenzfläche adsorbieren. Im Allgemeinen enthalten Tenside hydrophile und hydrophobe Einheiten, und daher kann in wässrigen Lösungen ein Wasserkontakt mit den hydrophoben Teilen vermieden werden, indem sie an der Oberfläche mit den hydrophoben Teilen in Richtung Luft angeordnet werden. Die Tensidadsorption senkt die Oberflächenspannung. Dieses Phänomen wird häufig verwendet, um die Benetzung zu verbessern. Klicken Sie auf das Bild unten, um mehr über Adsorption und Oberflächenspannung zu erfahren.
Tenside weisen eine weitere wichtige Eigenschaft auf, nämlich die Selbstorganisation zu Mizellen. Die Mizellierung ähnelt der Phasenbildung, da viele Tenside eine Mizelle bilden. Somit tritt die Mizellierung über einen ziemlich engen Konzentrationsbereich (kritische Mizellenkonzentration, CMC) auf, und eine weitere Zugabe von Tensid erhöht eher die Mizellenkonzentration als die Konzentration von Tensidmonomeren. Folglich nimmt die Oberflächenspannung mit zunehmender Gesamttensidkonzentration bis zu CMC ab und bleibt dann konstant. Die Messung der Oberflächenspannung ist daher eine bequeme Möglichkeit, die Mizellierung zu untersuchen.
Messen der Oberflächenspannung
Es wurden verschiedene Methoden zur Messung der Oberflächenspannung entwickelt. Bei optischen Techniken wird die Form eines Tropfens oder Meniskus üblicherweise unter Verwendung eines Computers analysiert. Die Form nimmt ein mechanisches Gleichgewicht zwischen den auf die Flüssigkeit wirkenden Kräften an, d. H. Oberflächenspannung und Gravitationskräften. Um genaue Ergebnisse zu erhalten, muss der optische Aufbau gut kalibriert und außerdem der Umriss des Tröpfchens genau bestimmt werden.
Bei der Blasendrucktensiometrie wird die Tatsache verwendet, dass der Druck innerhalb einer Blase aufgrund der Oberflächenspannung höher ist als außerhalb des Tröpfchens. Die Oberflächenspannung kann aus der Druckdifferenz berechnet werden, wenn der Radius und die Tröpfchenformen bekannt sind. Mit ein paar einfachen Annahmen kann man einfach zu bedienende und robuste Instrumente bauen, die sich gut für die grobe Messung der Oberflächenspannung eignen, indem einfach ein Rohr in die Lösung eingetaucht wird. Die Stalagometrie ist eine Variation der Blasendrucktechnik. Anstatt die Druckdifferenz zu messen, wird die Tatsache, dass die Strömungsrate einer Flüssigkeit durch eine Kapillare bestimmt wird, durch die Gravitationskräfte bestimmt, denen die viskose Kraft und der Gegendruck des Tröpfchens an der Spitze der Kapillare entgegenwirken.
Die älteste Technik zur Messung der Oberflächenspannung ist die Messung der Kraft, die eine Flüssigkeit auf eine Sonde ausübt. Krafttensiometrietechniken sind ziemlich genau, vorausgesetzt, der Kontaktwinkel an der Sonde ist bekannt. Durch Auswahl eines gut benetzten Materials und Annahme, dass der Kontaktwinkel Null ist. Für wässrige Lösungen bedeutet dies die Verwendung eines hydrophilen Materials. Das häufigste Material ist Platin.Experimente unter kontrollierter und inerter Atmosphäre haben gezeigt, dass Wasser Platin tatsächlich vollständig benetzt. Viele in der Umgebungsluft gefundene Verbindungen adsorbieren jedoch stark an Platin, der Effekt ist innerhalb von Minuten nach dem Flammen zu beobachten. Daher sollte die Sonde sofort nach der Reinigung in die gemessene Flüssigkeit eingetaucht werden.
Kibrons Dyneprobe basiert auf einem hydrophilen Oxid. Bei der Flammenreinigung mit einer heißen Flamme wird die Oxidschicht in einen sehr hydrophilen Zustand versetzt. Es ist stabiler gegenüber Luftschadstoffen als Platin, passiviert jedoch mit der Zeit. Daher können ordnungsgemäße Flammenreinigungsverfahren nicht vermieden werden. Es gibt zwei Untertechniken der Krafttensiometrie, nämlich die Wilhelmy- und die DuNouy-Methode. Bei der Wilhelmy-Methode wird die Sonde in der Grenzfläche stillgehalten, vorzugsweise mit dem unteren Ende der Grenzfläche (in großer Entfernung). Zu diesem Zeitpunkt sind keine Auftriebskorrekturen erforderlich. Für die Messung können sowohl sogenannte Wilhelmy-Platten als auch stabförmige Sonden verwendet werden.
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| DuNouy-Methode | Wilhelmy-Methode |
Bei der DuNouy-Methode (maximale Zugkraft) wird die Oberflächenspannung aufgezeichnet, wenn die Sonde langsam ist aus der Flüssigkeit entnommen. Die Sonde ist normalerweise ein DuNouy-Ring oder ein vertikaler Stab. Die Bewegung der Sonde liefert vorteilhafterweise einen zurückgehenden Kontaktwinkel, der dazu neigt, kleiner als der Ruhekontaktwinkel zu sein. Der Nachteil der Technik ist die Notwendigkeit, den negativen Auftriebsterm zu berücksichtigen, der dem Punkt maximaler Kraft entspricht, an dem sich die Sonde vollständig über der Oberfläche befindet. Bei Dünnstabsonden ist der Auftriebsterm relativ klein und leicht zu korrigieren, während bei Ringen der Auftriebsterm signifikant ist und seine Berechnung durch die Querschnittsform des Rings erschwert wird.
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