GRENZFLÄCHENSPANNUNG: DEFINITION, GLEICHUNG, EINHEITEN UND MESSUNG - KÖRPERLICH - 2025

Die Grenzflächenspannung (γ) ist die Nettokraft pro Längeneinheit, die auf die Kontaktfläche zwischen einer Phase (fest oder flüssig) und einer anderen (fest, flüssig oder gasförmig) ausgeübt wird. Die Nettokraft ist senkrecht zur Kontaktfläche und auf das Innere der Phasen gerichtet.

Wenn eine der Phasen ein Gas ist, wird dies üblicherweise als Oberflächenspannung bezeichnet. Die Kontaktphasen sind nicht mischbar, dh sie können sich nicht zusammen auflösen, um eine Lösung zu bilden. Der Kontaktbereich zwischen den Phasen ist eine geometrische Trennfläche, die als Grenzfläche bezeichnet wird. Die Grenzflächenspannung beruht auf intermolekularen Kräften an der Grenzfläche.

Kräfte zwischen Molekülen einer Flüssigkeit in Kontakt mit Luft

Grenzflächenspannung spielt eine wichtige Rolle bei vielen Grenzflächenphänomenen und -prozessen wie der Emulsionsproduktion und der Ölproduktion.

Definition

Die Eigenschaften der Grenzfläche sind nicht die gleichen wie die Eigenschaften innerhalb der Kontaktphasen, da sich unterschiedliche molekulare Wechselwirkungen manifestieren, da sich in dieser Region Moleküle befinden, die sowohl zu einer Phase als auch zur anderen gehören.

Moleküle innerhalb einer Phase interagieren mit benachbarten Molekülen, die ähnliche Eigenschaften haben. Folglich ist die Nettoinnenkraft Null, da die anziehenden und abstoßenden Wechselwirkungen in allen möglichen Richtungen gleich sind.

Die Moleküle, die sich auf der Oberfläche zwischen den beiden Phasen befinden, sind von Molekülen aus derselben Phase, aber auch von benachbarten Molekülen aus der anderen Phase umgeben.

In diesem Fall ist die Nettokraft nicht Null und sie ist auf das Innere der Phase gerichtet, in der eine größere Wechselwirkung besteht. Das Ergebnis ist, dass der Energiezustand der Moleküle auf der Oberfläche größer ist als der Energiezustand innerhalb der Phase.

Die Nettokraft, die pro Längeneinheit entlang der Grenzfläche nach innen wirkt, ist die Grenzflächenspannung. Aufgrund dieser Kraft neigen Moleküle spontan dazu, die Energie zu minimieren und die Oberfläche für jede Volumeneinheit zu minimieren.

Definition basierend auf Arbeit und Energie

Um ein Molekül von innen an die Oberfläche zu ziehen, müssen die auf das Molekül einwirkenden Kräfte die Nettokraft überschreiten. Mit anderen Worten ist Arbeit erforderlich, um die Grenzflächenoberfläche zu vergrößern.

Kraft erforderlich, um den Grenzflächenbereich zu vergrößern. (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Surface_growing.png)

Je größer die intermolekulare Nettokraft ist, desto größer ist die zu erledigende Arbeit und desto größer ist der Energieeintrag. Aus diesem Grund wird die Grenzflächenspannung auch als Funktion der Arbeit oder als Funktion der Energie definiert, wie nachstehend erwähnt:

Grenzflächenspannung ist die Arbeit, die erforderlich ist, um einen Einheitsbereich an der Grenzfläche zu erstellen. Ebenso wird die Grenzflächenspannung als die freie Energie definiert, die pro erzeugter Flächeneinheit benötigt wird.

Gleichung und Einheiten der Grenzflächenspannung

Die Gleichung der Grenzflächenspannung als Funktion der intermolekularen Nettokraft lautet:

γ = F / 2l

Der Grund, warum die Grenzflächenspannung abnimmt, ist, dass mit zunehmender Temperatur die kinetische Energie aufgrund der Zunahme der thermischen Bewegung der Moleküle zunimmt.

Messung der Grenzflächenspannung

Es gibt verschiedene Methoden zur experimentellen Messung der Grenzflächenspannung, von denen die am besten geeignete nach den charakteristischen Eigenschaften der Kontaktphasen und den experimentellen Bedingungen ausgewählt werden kann.

Diese Verfahren umfassen die Wilhelmy-Plattenmethode, die Du Nouy-Ringmethode, die Pendant-Drop-Methode und die Rotations-Drop-Methode.

Wilhelmy-Plattenmethode

Es besteht aus der Messung der Abwärtskraft, die von der Oberfläche einer flüssigen Phase auf eine Aluminium- oder Glasplatte ausgeübt wird. Die auf die Platte ausgeübte Nettokraft entspricht dem Gewicht plus der Zugkraft. Das Gewicht der Platte wird durch eine torsionsempfindliche Mikrowaage erhalten, die mit einer Vorrichtung an der Platte befestigt ist.

Du Nouy Ringmethode

Bei diesem Verfahren wird die Kraft zum Trennen der Oberfläche eines Metallrings von einer Flüssigkeitsoberfläche gemessen, um sicherzustellen, dass der Ring vor dem Messen vollständig in die Flüssigkeit eingetaucht ist. Die Trennkraft entspricht der Grenzflächenspannung und wird mit einer hochpräzisen Waage gemessen.

Drop-Pendant-Methode

Diese Methode basiert auf der Messung der Verformung eines an einer Kapillare hängenden Tropfens. Der Tropfen wird während des Hängens im Gleichgewicht gehalten, da die Zugkraft dem Gewicht des Tropfens entspricht.

Die Dehnung des Tropfens ist proportional zum Gewicht des Tropfens. Das Verfahren basiert auf der Bestimmung der Dehnungslänge des Tropfens aufgrund seines Gewichts.

Drop-Pendant-Methode

Rotierende Drop-Methode

Das Rotationstropfenverfahren ist sehr nützlich zur Messung sehr geringer Grenzflächenspannungen, die auf den Emulsions- und Mikroemulsionsherstellungsprozess angewendet werden.

Es besteht darin, einen Tropfen einer weniger dichten Flüssigkeit in ein mit einer anderen Flüssigkeit gefülltes Kapillarröhrchen zu geben. Der Tropfen wird aufgrund einer Drehbewegung mit großer Geschwindigkeit einer Zentrifugalkraft ausgesetzt, die den Tropfen auf der Achse verlängert und der Zugkraft entgegenwirkt.

Die Grenzflächenspannung ergibt sich aus den Abmessungen der geometrischen Form des zu verformenden Tropfens und aus der Drehzahl.

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