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Oberflchenspannung

Unter Oberflchenspannung versteht man die Grenzflchenspannung von Festkrpernund Flssigkeiten gegenber der Dampfphase bzw. Luft.

Die Abb. veranschaulicht die Bedeutung der Oberflchenspannung fr Flssigkeiten.

Whrend in der Flssigkeit (a) auf die Molekle gleiche Anziehungskrfte(zwischenmolekulare Krfte) aus allen Richtungen wirken, sind diese Krfte an derFlssigkeit/Dampf-Grenzflche (b) nicht ausgeglichen. Es besteht daher eine in dasFlssigkeitsinnere gerichtete Kraft, die Molekle aus der Oberflche in die Flssigkeit zutreiben versucht. Die Flssigkeit ist bestrebt, ihre Oberflche zu verkleinern, weshalbTrpfchen und Gasblasen Kugelgestalt anzunehmen versuchen. DieOberflchenspannung ist definiert als Kraft pro Lngeneinheit in der Oberflche und hatdie Dimension mN/m (103 Newton/Meter). Mit Oberflchenarbeit bezeichnet man dieArbeit, die ntig ist, um unter reversiblen Bedingungen und bei isothermem Verlauf dieOberflche zu bilden oder zu vergrern.

Grenzflchenspannung

(Symbol g od. s). Bez. fr diejenige Kraft, die an 1 m einer gedachten, in der Grenzflchezwischen zwei Phasen befindlichen Linie wirkt; im Fall der Grenzflchenspannung an derPhasengrenze zwischen Flssigkeit od. Festkrper einerseits und Gas andererseits sprichtman auch von Oberflchenspannung. Die Grenzflchenspannung hat positivesVorzeichen, wenn sie das Bestreben hat, die Grenzflche zu verkleinern, sie ist negativ imumgekehrten Fall. Sie ist numer. u. dimensionsgleich (mN m1, frher: dyn/cm =erg/cm2) der Arbeit (Grenzflchenarbeit), die umgesetzt werden muss, um dieGrenzflche bei konstantem Vol. u. konstanter Temp. um eine Flcheneinheit zuverndern, vgl. DIN 53900 (Juli 1972). Anschaulich kann man sich dieGrenzflchenenergie als diejenige Energie vorstellen, die notwendig ist, um so viele Mol.aus dem Innern einer Phase in die Grenzflche (besser in die Grenzschicht) zubringen,dass gerade 1 m2 neue Grenzflche entsteht. Das kann man sichfolgendermaen verdeutlichen: Zwischen den Mol. einer Phase (z.B. einer Flssigkeit)wirken anziehende zwischenmolekulare Krfte, die sich im Innern der Phase aufheben, dadort die Mol. allseitig von gleichartigen Mol. umgeben sind (vgl. die Abb. bei

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Oberflchenspannung). In der Grenzflche uert sich diese aus Adhsion u./od. Kohsionresultierende Anziehung im Sinne einer einseitig in das Phaseninnere oder von dieser weggerichteten Kraft, je nachdem, ob die Anziehungskraft zu den Mol. der gleichen od. zudenen der angrenzenden Phase grer ist. Ihren Ausdruck findet dieGrenzflchenspannung in der Kugelgestalt von Tropfen u. Blasen, in der Meniskus-Bldg.von Flssigkeit in Kapillaren usw., vgl. Oberflchenspannung.

Grenzt eine Flssigkeit-Luft-Oberflche an eine feste Wand, so bildet sie mit dieser einenbestimmten Randwinkel Q (s. Abb.). Der Winkel Q errechnet sich aus demKrfteverhltnis der Grenzflchenspannung zwischen Flssigkeit und Luft gFL derGrenzflchenspannung zwischen Flssigkeit und Wand gWF und der zwischen Wand undLuft gWL zu gWL gWF gFLcosQ = 0. Die Differenz gW = gWL gWF wirdBenetzungsspannung genannt. Je hher die Benetzung ist, desto kleiner ist der Winkel Qund um so hher steigt der Benetzungsrand. Dieser Zusammenhang wird beim

Steighhenverfahren ausgenutzt, um die Grenzflchenspannung g zu messen. Fr dieSteighhe h in einer Kapillare mit dem Radius r gilt in guter Nherung g = hrrg/2 (g =Erdbeschleunigung, r = Dichte der Flssigkeit).

Weitere Methoden, um Grenzflchenspannung zu messen sind:

a) Wgeverfahren, bei denen die Kraft gemessen wird, die aufzuwenden ist, um einebenetzte Platte od. einen Drahtbgel aus einer Flssigkeit zu ziehen.

b) Tropfenvolumenverf., bei der die Gre der Flssigkeitstropfen bestimmt wird.

c) Spinning-Drop-Verfahren, bei dem die Gestalt eines Tropfens in einer schnellrotierenden Kapillaren ausgemessen wird, sowie

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d) Blasendruckverfahren, bei dem der Druck p bestimmt wird, unter dem sich eine Blasevon einer Kapillaren mit Innenradius r ablst, wenn diese Kapillare in die zuuntersuchende Flssigkeit knapp unter die Oberflche getaucht wird; hierbei gilt g =pr/2. Bezglich Details der Meverferfahren und deren Genauigkeit s. Lit.

Grenzflchenaktive Stoffe

Sammelbezeichnung fr in der Regel organischen Verbindungen, die sich aus ihrerLsung an Grenzflchen (z.B. Wasser/l) stark anreichern u. dadurch dieGrenzflchenspannung im Fall von flssig/gasfrmigen Systemen, dieOberflchenspannung herabsetzen. Obgleich auch polare Lsgm. wie etwa Alkohole,Ether, Pyridine, Alkylformamide usw. grenzflchenaktiv sind, werden im blichenSprachgebrauch nur solche Verb. als g.S. bezeichnet, die ber einen lipophilenKohlenwasserstoff-Rest u. ber eine, ggf. auch mehrere, hydrophile funktionale Gruppen(COONa,SO3Na,OSO3Na u. dgl.) verfgen; derartige Stoffe werden auch Tenside od.Detergentien genannt. In einer wssrigen Tensid-Lsg. richten sich die hydrophilenGruppen der Tenside so aus,dass sie mit dem Wasser in Kontakt bleiben, whrend sichdie hydrophoben Gruppen der Wechselwirkung mit dem Wasser zu entziehen suchen,

indem sie aus der Wasseroberflche herausragen u. somit einen Paraffin-Film erzeugen.Eine Anreicherung der Wasseroberflche mit Tensid-Mol. hat fr dieOberflchenspannung Konsequenzen: Bei reinem Wasser sind alle Mol. in der Lsg.gleichmig von Nachbarmol. umgeben. Damit sind diese Mol. in allen Raumrichtungengleichen Wechselwirkungen anziehender u. abstoender Art ausgesetzt, die sich im Mittelzu Null addieren. An der Grenzflche Wasser/Luft verndern sich diese Verhltnissejedoch entscheidend. Ein Wassermol. ist dort nur noch innerhalb der Grenzflche u. inRichtung auf die Flssigkeit von Wassermoleklen umgeben. Die Wechselwirkungskrfteheben sich nicht mehr gegenseitig auf u. es verbleibt eine resultierende Kraft F1, die inRichtung auf die Flssigkeit weist.

Es ist das Bestreben dieser Kraft, die Oberflche der Flssigkeit zu verkleinern; wannimmer es mglich ist nimmt die Flssigkeit Kugelform an (Wassertropfen, Ostwald-Reifung). In einer wss. Lsg. von Tensiden sind die Krfteverhltnisse in der Grenzflcheinsgesamt nicht mehr so einfach darzustellen. Die Tensid-Mol. reichern sich in derGrenzflche an u. verdrngen dabei Wassermol. In das Krftediagramm muss demnachnicht mehr die Wechselwirkung zwischen verschiedenen Wassermol., sondern zwischenTensid- u. Wassermol. eingesetzt werden. Da diese Wechselwirkung weniger stark ist,

wird die resultierende Kraft F1 zwar nicht in ihrer Richtung, aber in ihrem Betraggendert: die Oberflchenspannung g (zu der man genaugenommen die Beitrge allerMolekle in der Grenzflche aufsummieren mte) wird verringert. DieOberflchenspannung weist fr jede Flssigkeit bei Normalbedingungen einen

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spezifischen Wert auf u. wird in mN/m angegeben. Mit Ausnahme von Quecksilber besitztWasser von allen Flssigkeiten den grten Wert (73 mN/m). Durch Zugabe vongeeigneten Tensiden kann die Oberflchenspannung bis auf Werte um 20 mN/mherabgesetzt werden.