Grenzflächenspannung: Definition, Gleichung, Einheiten und Messung
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 verläuft senkrecht zur Kontaktfläche und ist auf das Innere der Phasen gerichtet.
Wenn eine der Phasen ein Gas ist, spricht man üblicherweise von Oberflächenspannung . Die Kontaktphasen sind nicht mischbar, das heißt, sie können nicht zusammen gelöst werden, um eine Lösung zu bilden. Der Kontaktbereich zwischen den Phasen ist eine geometrische Trennfläche, die als Grenzfläche bezeichnet wird . Die Grenzflächenspannung ist auf die in der Grenzfläche vorhandenen intermolekularen Kräfte zurückzuführen.
Grenzflächenspannungen spielen eine wichtige Rolle bei vielen Grenzflächenphänomenen und -prozessen, beispielsweise bei der Herstellung von Emulsionen und bei der Herstellung von Erdöl.
Definition
Die Eigenschaften der Grenzfläche stimmen nicht mit den Eigenschaften innerhalb der Kontaktphasen überein, da sich unterschiedliche molekulare Wechselwirkungen manifestieren, da sich in diesem Bereich Moleküle befinden, die sowohl zu einer Phase als auch zu der anderen gehören.
Die Moleküle innerhalb einer Phase interagieren mit benachbarten Molekülen, die ähnliche Eigenschaften aufweisen. Folglich ist die innere Nettostärke Null, da die anziehenden und abstoßenden Wechselwirkungen in alle möglichen Richtungen gleich sind.
Die Moleküle, die sich auf der Oberfläche zwischen den beiden Phasen befinden, sind von Molekülen der gleichen Phase, aber auch von benachbarten Molekülen der anderen Phase umgeben.
In diesem Fall ist die Nettokraft nicht null und ist auf das Innere der Phase gerichtet, in der es eine größere Wechselwirkung gibt. Das Ergebnis ist, dass der Energiezustand der Moleküle an 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 die Moleküle spontan dazu, die Energie zu minimieren, indem sie die Oberfläche für jede Volumeneinheit minimieren.
Definition basiert 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, es ist Arbeit erforderlich, um die Grenzflächenoberfläche zu vergrößern.
Je größer die intermolekulare Nettokraft ist, desto größer ist die zu leistende Arbeit und desto größer ist der Energieeintrag. Aus diesem Grund wird die Grenzflächenspannung auch nach der Arbeit oder in Abhängigkeit von der Energie definiert, wie nachstehend erwähnt:
Die Grenzflächenspannung ist die Arbeit, die erforderlich ist, um eine Flächeneinheit an der Grenzfläche zu erzeugen. Ebenso wird die Grenzflächenspannung als die freie Energie definiert, die pro erzeugter Flächeneinheit benötigt wird.
Gleichungs- und Grenzflächenspannungseinheiten
Die Gleichung der Grenzflächenspannung als Funktion der intermolekularen Nettokraft lautet:
γ = F / 2l [1]
F = Nettokraft
l = Länge der Schnittstelle
Die Zahl 2 in Gleichung [1] bedeutet, dass es zwei Oberflächen gibt, eine für jede Fläche der Schnittstelle.
Die Grenzflächenspannung gemäß der zur Erzeugung einer Oberflächeneinheit erforderlichen Arbeit wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt:
γ = W / ΔA [2]
W = Arbeit
ΔA = Zunahme der Oberfläche
Die Schaffung des Grenzflächenbereichs geht mit einer Zunahme der Bildung freier Energie einher.
γ = ΔE / ΔA [3]
ΔE = Energie der Grenzflächenbildung
Die Grenzflächenspannungseinheiten im internationalen System sind N / m oder Joule / m2. Gewöhnlich wird auch Dinas / cm oder mN / m verwendet.
Abhängigkeit von der Temperatur
Einer der Hauptfaktoren, die die Grenzflächenspannung beeinflussen, ist die Temperatur. Wenn die Temperatur zunimmt, nehmen die Wechselwirkungskräfte ab, was zur Folge hat, dass die Nettokraft, die die Oberfläche zusammenzieht, ebenfalls abnimmt, was zu einer Abnahme der Grenzflächenspannung führt.
Wenn die Temperatur weiter ansteigt, wird sich die Grenzflächenspannung irgendwann aufheben und es wird keine Trennung zwischen den Phasen mehr geben. Die Temperatur, bei der die Grenzflächenspannung aufgehoben wird, wird als kritische Temperatur ( t c ) bezeichnet .
Der Grund, warum die Grenzflächenspannung abnimmt, ist, dass eine Erhöhung der Temperatur die kinetische Energie aufgrund der Zunahme der thermischen Bewegung der Moleküle erhöht.
Grenzflächenspannungsmessung
Es gibt verschiedene Methoden zur experimentellen Messung der Grenzflächenspannung, unter denen Sie je nach den charakteristischen Eigenschaften der Kontaktphasen und den experimentellen Bedingungen die am besten geeignete auswählen können.
Unter diesen Verfahren sind das Wilhelmy-Platten-Verfahren, das Du-Nouy-Ring-Verfahren, das Tropfen-Tropfen-Verfahren und das Rotations-Tropfen-Verfahren zu nennen.
Wilhelmy-Plattenmethode
Es besteht aus der Messung der von der Oberfläche einer flüssigen Phase auf eine Aluminium- oder Glasplatte ausgeübten Abwärtskraft. Die auf die Platte ausgeübte Nettokraft entspricht dem Gewicht plus der Zugkraft. Das Gewicht der Platte wird mittels einer verdrehungsempfindlichen Mikrowaage erhalten, die mittels einer Vorrichtung an der Platte befestigt ist.
Du Nouy-Ring-Methode
Bei dieser Methode wird die Kraft gemessen, um die Oberfläche eines Metallrings von einer Flüssigkeitsoberfläche zu trennen und sicherzustellen, dass der Ring vor der Messung vollständig in die Flüssigkeit eingetaucht ist. Die Trennkraft entspricht der Grenzflächenspannung und wird mit einer Präzisionswaage gemessen.
Drop-Methode ausstehend
Diese Methode basiert auf der Messung der Verformung eines an einer Kapillare hängenden Tropfens. Der Tropfen bleibt während des Hängens im Gleichgewicht, 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 Länge der Dehnung des Tropfens aufgrund seines Gewichts.
Rotierende Abwurfmethode
Die Rotationstropfenmethode ist sehr nützlich, um sehr niedrige Grenzflächenspannungen zu messen, die für den Produktionsprozess von Emulsionen und Mikroemulsionen gelten.
Es besteht darin, einen Tropfen einer weniger dichten Flüssigkeit in ein mit einer anderen Flüssigkeit gefülltes Kapillarröhrchen zu geben. Der Tropfen wird aufgrund einer Rotationsbewegung mit großer Geschwindigkeit einer Zentrifugalkraft ausgesetzt, die den Tropfen auf der Welle verlängert und der Zugkraft entgegenwirkt.
Die Grenzflächenspannung ergibt sich aus den Abmessungen der geometrischen Form des deformierten Tropfens und der Rotationsgeschwindigkeit.
