Wasser IV

Oberflächenspannung (Symbol s oder g). Grenzflächenspannung

zu Wasser I,

zu Wasser II,

zu Wasser III,

Unter Oberflächenspannung versteht man die Grenzflächenspannung von Festkörpern und Flüssigkeiten gegenüber der Dampfphase bzw. Luft. Die Abb. (vgl.a. diejenige bei Tensiden)

oberflaechenspannung

veranschaulicht die Bedeutung der Oberflächenspannung für Flüssigkeiten. Während in der Flüssigkeit (a) auf die Moleküle gleiche Anziehungskräfte (zwischenmolekulare Kräfte) aus allen Richtungen wirken, sind diese Kräfte an der Flüssigkeit/Dampf-Grenzfläche (b) nicht ausgeglichen. Es besteht daher eine in das Flüssigkeitsinnere gerichtete Kraft, die Moleküle aus der Oberfläche in die Flüssigkeit zu treiben versucht. Die Flüssigkeit ist bestrebt, ihre Oberfläche zu verkleinern, weshalb Tröpfchen und Gasblasen Kugelgestalt anzunehmen versuchen. Die Oberflächenspannung ist definiert als Kraft pro Längeneinheit in der Oberfläche und hat die Dimension mN/m (10–3 Newton/Meter). Mit Oberflächenarbeit bezeichnet man die Arbeit, die nötig ist, um unter reversiblen Bedingungen und bei isothermem Verlauf die Oberfläche zu bilden oder zu vergrößern. Unter bestimmten Voraussetzungen entspricht die Oberflächenspannung (Oberflächenenergie) der Freien oder Helmholtz-Energie der Oberfläche pro Flächeneinheit. Unmittelbar nach der Ausbildung der Oberfläche erhält man Werte für die Oberflächenspannung, die vom Gleichgewichtszustand abweichen. Man bezeichnet diesen Effekt als dynamische, den Gleichgewichtswert als statische Oberflächenspannung. Die Oberflächenspannung kann u.a. mit folgenden Methoden bestimmt werden (Lit. ):
(a) Meniskus-Bldg. und Steighöhe in Kapillaren,
(b) Blasendruck einer in der Flüssigkeit austretenden Gasblase,
(c) Ring-Methode,
(d) Wilhelmy-Methode,
(e) Gestalt liegender od. hängender Tropfen.
Für die Prüfung von Tensiden ist Methode c nach DIN 53914 (März 1980) genormt. Eine Apparatur zur Messung der dynamischen Oberflächenspannung wird bei Miller (Lit. ) beschrieben. Die Werte für die Oberflächenspannung von organischen Flüssigkeiten liegen bei 20° im allg. zwischen 15 und 40 mN/m, für Wasser dagegen bei ca. 73 mN/m, für Quecksilber bei 435 mN/m, und noch höhere Werte erreichen Salzschmelzen, vgl. Lit. .Die Oberflächenspannung insbesondere von Lösungsmitteln ist von technischer Bedeutung in der Waschmittel- und Textil-Industrie, im Haushalt, bei der Flotation und Adhäsion, in Emulsionen usw., d.h. überall dort, wo die Benetzung eine Rolle spielt – in „entspanntem Wasser“ andererseits würden Enten oder Wasserläufer versinken. Die Oberflächenspannung weist nicht nur Zusammenhänge mit der Konzentration, sondern auch mit Dichte und Temperatur, elektrischen Ladungen und mit der Kompressibilität von Flüssigkeiten auf; über die Dichte und den Parachor ist sie auch mit der Molmasse verknüpft. Weitere Aspekte zum Thema s. bei Micellen, Kapillarität, Netzmittel, Tenside und grenzflächenaktive Stoffe sowie bei Oberflächenchemie.

Grenzflächenspannung

(Symbol g od. s). Bez. für diejenige Kraft, die an 1 m einer gedachten, in der Grenzfläche zwischen zwei Phasen befindlichen Linie wirkt; im Fall der Grenzflächenspannung an der Phasengrenze zwischen Flüssigkeit od. Festkörper einerseits und Gas andererseits spricht man auch von Oberflächenspannung. Die Grenzflächenspannung hat positives Vorzeichen, wenn sie das Bestreben hat, die Grenzfläche zu verkleinern, sie ist negativ im umgekehrten Fall. Sie ist numer. u. dimensionsgleich (mN m–1, früher: dyn/cm = erg/cm2) der Arbeit (Grenzflächenarbeit), die umgesetzt werden muss, um die Grenzfläche bei konstantem Vol. u. konstanter Temp. um eine Flächeneinheit zu verändern, vgl. DIN 53900 (Juli 1972). Anschaulich kann man sich die Grenzflächenenergie als diejenige Energie vorstellen, die notwendig ist, um so viele Mol. aus dem Innern einer Phase in die Grenzfläche (besser in die Grenzschicht) zu bringen,dass gerade 1 m2 neue Grenzfläche entsteht. Das kann man sich folgendermaßen verdeutlichen: Zwischen den Mol. einer Phase (z.B. einer Flüssigkeit) wirken anziehende zwischenmolekulare Kräfte, die sich im Innern der Phase aufheben, da dort die Mol. allseitig von gleichartigen Mol. umgeben sind (vgl. die Abb. bei Oberflächenspannung). In der Grenzfläche äußert sich diese aus Adhäsion u./od. Kohäsion resultierende Anziehung im Sinne einer einseitig in das Phaseninnere oder von dieser weg gerichteten Kraft, je nachdem, ob die Anziehungskraft zu den Mol. der gleichen od. zu denen der angrenzenden Phase größer ist. Ihren Ausdruck findet die Grenzflächenspannung in der Kugelgestalt von Tropfen u. Blasen, in der Meniskus-Bldg. von Flüssigkeit in Kapillaren usw., vgl. Oberflächenspannung.

grenzflaechenspannnug

Grenzt eine Flüssigkeit-Luft-Oberfläche an eine feste Wand, so bildet sie mit dieser einen bestimmten Randwinkel Q (s. Abb.). Der Winkel Q errechnet sich aus dem Kräfteverhältnis der Grenzflächenspannung zwischen Flüssigkeit und Luft gFL der Grenzflächenspannung zwischen Flüssigkeit und Wand gWF und der zwischen Wand und Luft gWL zu gWL – gWF – gFL·cosQ = 0. Die Differenz gW = gWL – gWF wird Benetzungsspannung genannt. Je höher die Benetzung ist, desto kleiner ist der Winkel Q und um so höher steigt der Benetzungsrand. Dieser Zusammenhang wird beim Steighöhenverfahren ausgenutzt, um die Grenzflächenspannung g zu messen. Für die Steighöhe h in einer Kapillare mit dem Radius r gilt in guter Näherung g = h·r·r·g/2 (g = Erdbeschleunigung, r = Dichte der Flüssigkeit). Weitere Methoden, um Grenzflächenspannung zu messen sind:
a) Wägeverfahren, bei denen die Kraft gemessen wird, die aufzuwenden ist, um eine benetzte Platte od. einen Drahtbügel aus einer Flüssigkeit zu ziehen.
b) Tropfenvolumenverf., bei der die Größe der Flüssigkeitstropfen bestimmt wird.
c) Spinning-Drop-Verfahren, bei dem die Gestalt eines Tropfens in einer schnell rotierenden Kapillaren ausgemessen wird, sowie
d) Blasendruckverfahren, bei dem der Druck p bestimmt wird, unter dem sich eine Blase von einer Kapillaren mit Innenradius r ablöst, wenn diese Kapillare in die zu untersuchende Flüssigkeit knapp unter die Oberfläche getaucht wird; hierbei gilt g = p·r/2. Bezüglich Details der Meßverferfahren und deren Genauigkeit s. Lit.
Zur Messung der Grenzflächenspannung empiehlt die IUPAC bestimmte Referenzmaterialien. Undnochmals!!! Die Kenntnis der Grenzflächenspannung u. ihrer Beeinflußbarkeit ist besoners wichtig bei allen Prozessen, bei denen Benetzung, Adsorption u. Adhäsion eine Rolle spielen u. bei denen grenzflächenaktive Stoffe eingesetzt werden; Beisp.: Emulsionen, Flotation, Waschen, Schäume. Über Zusammenhänge zwischen Grenzflächenspannung u.a. mol. Größen s. Lit. Zur Berechnung der Grenzflächenspannung aus ihrer Beziehung zur Viskosität s. Lit. u. aus den polaren u. unpolaren Anteilen der Oberflächenspannung der miteinander in Berührung stehenden Phasen s. Lit.

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Literatur zu Tensiden:

Lit.: 1 Kohlrausch, Praktische Physik 1, S. 230ff., Stuttgart: Teubner 1985. 2 Int. Lab. 14, 28 (1984). 3 Handbook 56, F23–46. allg.: Bare, Somorjai, Surface Chemistry, Encycl. of Physical Science and Technology, Vol. 13, S. 526, New York: Acad. Press 1987 ï Spektrum Wiss. 1984 (1), 124; 1984 (3), 142 ï Winnacker-Küchler (3). 4, 428–432 ï s.a. Grenzflächen, Oberflächenchemie und Tenside. E surface tension F tension superficielle I tensione superficiale S tensión superficial
Quelle: CD Römpp Chemie Lexikon – Version 1.0, Stuttgart/New York: Georg Thieme Verlag 1995 Grenzflächenaktive Stoffe

Grenzflächenaktive Stoffe

Sammelbezeichnung für in der Regel organischen Verbindungen, die sich aus ihrer Lösung an Grenzflächen (z.B. Wasser/Öl) stark anreichern u. dadurch die Grenzflächenspannung – im Fall von flüssig/gasförmigen Systemen, die Oberflächenspannung – herabsetzen. Obgleich auch polare Lsgm. wie etwa Alkohole, Ether, Pyridine, Alkylformamide usw. grenzflächenaktiv sind, werden im üblichen Sprachgebrauch nur solche Verb. als g.S. bezeichnet, die über einen lipophilen Kohlenwasserstoff-Rest u. über eine, ggf. auch mehrere, hydrophile funktionale Gruppen (–COONa,–SO3Na,–O–SO3Na u. dgl.) verfügen; derartige Stoffe werden auch Tenside od. Detergentien genannt. In einer wässrigen Tensid-Lsg. richten sich die hydrophilen Gruppen der Tenside so aus,dass sie mit dem Wasser in Kontakt bleiben, während sich die hydrophoben Gruppen der Wechselwirkung mit dem Wasser zu entziehen suchen, indem sie aus der Wasseroberfläche herausragen u. somit einen Paraffin-Film erzeugen. Eine Anreicherung der Wasseroberfläche mit Tensid-Mol. hat für die Oberflächenspannung Konsequenzen: Bei reinem Wasser sind alle Mol. in der Lsg. gleichmäßig von Nachbarmol. umgeben. Damit sind diese Mol. in allen Raumrichtungen gleichen Wechselwirkungen anziehender u. abstoßender Art ausgesetzt, die sich im Mittel zu Null addieren. An der Grenzfläche Wasser/Luft verändern sich diese Verhältnisse jedoch entscheidend. Ein Wassermol. ist dort nur noch innerhalb der Grenzfläche u. in Richtung auf die Flüssigkeit von Wassermolekülen umgeben. Die Wechselwirkungskräfte heben sich nicht mehr gegenseitig auf u. es verbleibt eine resultierende Kraft F1, die in Richtung auf die Flüssigkeit weist.

Grenzfläche

oberfl_akt_subst

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Literatur zu Grenzflächenaktive Stoffe

Lit.: vgl. Tenside, Grenzflächen u.a. Textstichwörter. E surface active agents, surfactants F agent de surface I agenti tensioattivi S agente de superficie, agente tensioactivo Z 3402.11, 3402.12, 3402.13, 3402.19 Das in diesem Stichwort vorhandene Bild finden Sie auf der CD unter folgendem Pfad: \WMF2\ABB\T01\B208017.WMF (Abbildung) Quelle: CD Römpp Chemie Lexikon – Version 1.0, Stuttgart/New York: Georg Thieme Verlag 1995

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