Vorlesung 4: Grenzflächenphänomene und Oberflächenspannung

Question 1

Wie kann man Gemische kategoriesieren?

Answer 1

Homogenes Gemisch
- auf molekularer Ebende vermischte Stoffe
- einheitliche, homogene Phase
- einphasig

Heterogenes Gemisch (Dispersion)
- nicht vollendet vermischt
- Stoffe liegen in klar abgegrenzten Phasen vor
- mehrphasig

Question 2

Nenne verschiedene heterogene Gemische

Answer 2

disperse Phase/kontinuierliche Phase
flüssig/flüssig: Emulsion
flüssig/gasförmig: Aerosol
flüssig/fest: poröser Festkörper (Schwamm)
gasförmig/flüssig: Schaum
gasförmig/gasförmig: homogenes Gemisch
gasförmig/fest: Poröser Festkörper (Styropor)
fest/flüssig: Suspension
fest/gasförmig: Aerosol
fest/fest: Feststoffgemenge

Question 3

Was sind Aerosole?

Answer 3

feinste Verteilung schwebender fester oder flüssiger Stoffe in Gasen, besonders in der Luft (z. B. Rauch, Nebel)

Question 4

Was ist eine Emulsion?

Answer 4

Gemenge aus zwei nicht zu mischenden, ineinander unlösbaren Flüssigkeiten, bei dem die eine Flüssigkeit in Form kleiner Tröpfchen in der anderen verteilt ist.

Question 5

Auf was haben Grenzflächen und Grenzflächenphänomene haben einen wesentlichen Einfluss?

Answer 5

• Eigenschaften
• Funktionen
• Herstellung
• Anwendung

…von vielen verfahrenstechnischen Produkten

Question 6

Was sind die Eigenschaften von Grenzflächen?

Answer 6

▪ Als eine Grenzfläche wird das Gebiet zwischen zwei homogenen Phasen bezeichnet.

▪ In diesem Gebiet ändern sich die Eigenschaften oft signifikant.

▪ Grenzflächenbetrachtungen sind insbesondere bei dispergierenden Systemen von großer Bedeutung.

Question 7

Was beschreibt Oberflächenspannung bzw. Grenzflächenspannung?

Answer 7

Die Oberflächenspannung bzw. Grenzflächenspannung ist eine Eigenschaft einer Flüssigkeit in unmittelbarer Nähe einer Grenzfläche.

▪ Die resultierende Kraft, die auf ein oberflächennahes Molekül wirkt, steht demnach senkrecht auf der Grenzfläche und ist ins Innere der Flüssigkeit gerichtet.

▪ Die Oberflächenspannung ist eine Kraft pro Längeneinheit, die an einer gedachten Linie auf der Oberfläche angreift.

Question 8

Nenne die Oberflächenspannungen bei 20°C von Wasser/Luft, Alkohol/Luft, Öl/Luft, Qecksilber/Luft, Öl/Wasser

Answer 8

Wasser/Luft: 0,073 N/m
Alkohol/Luft: 0,025 N/m
Öl/Luft: 0,028 N/m
Qecksilber/Luft: 0,03 N/m
Öl/Wasser: 0,02 N/m

Question 9

Wie funktioniert die Oberflächenvergrößerung?

Answer 9

▪ Um die Oberfläche zu vergrößern, müssen Moleküle aus dem Innern der Flüssigkeit in die Grenzschicht transportiert werden.

▪ Es muss Arbeit aufgewendet werden um die Oberfläche zu erhöhen

▪ Die gesamte Zunahme der Oberflächenenergie Δ𝑊 ist proportional der Oberflächenvergrößerung.

Formel: ΔW = γ*ΔA

Question 10

Wie ist der Laplace’scher Krümmungsdruck definiert?

Answer 10

Die Oberflächenspannung zieht die Kugel-Oberfläche von Gasblasen bzw. Flüssigkeitstropfen zusammen, sodass im Inneren ein höherer Druck herrscht als außerhalb.

Der Druckunterschied ∆𝑝 zwischen Innen- und Außendruckwird „Laplace‘scher Krümmungsdruck“ genannt.

Formel: Δp = (2*γ/r) [N/mm^2]

Question 11

Beschreibe die Zusammenhänge des Dampfdrucks und der Kelvin-Gleichung.

Answer 11

Der Dampfdruck über einer Flüssigkeitsoberfläche wird von der Oberflächenspannung und dem Krümmungsradius der Fläche beeinflusst.

Die Kelvin-Gleichung beschreibt den Zusammenhang.

RTln(pr/p∞) = 2Vmγ/r

mit Vm = M/ρ
p∞ Dampfdruck der flachen Oberfläche
pr > p∞ konvexe Oberfläche
pr < p∞ konkave Oberfläche

Question 12

Was ist der Unterschied 2-Phasen vs. 3-Phasen bei den Kontaktwinkeln?

Answer 12

2-Phasen-Systeme

▪ Phasengrenze wird durch Oberflächenspannung charakterisiert

▪ Beispiele: Gasblase in Flüssigkeit Flüssigkeitstropfen in Gas

3-Phasen-Systeme
▪ Phasengrenzen werden durch Kontaktwinkel charakterisiert

▪ Beispiele: Tropfen auf Feststoff in Gasatmosphäre Flüssigkeit in Kapillare in Gasatm.

Question 13

Bezogen auf Wasser spricht man von hydrophilen und hydrophoben Oberflächen:

Wie definiert man diese Oberflächen?

Answer 13

hydrophil: Feststoffe mit polarer Oberfläche besitzen eine hohe Affinität zu Wasser.

▪ starke Adhäsionskräfte
▪ kleiner Kontaktwinkel θ < 90°

hydrophob: Feststoffe mit unpolarer Oberfläche besitzen eine geringe Affinität zu Wasser.

▪ schwache Adhäsionskräfte
▪ großer Kontaktwinkel θ > 90°

Question 14

Was passiert bei totaler Nichtbenetzung vs. Totale Benetzung?

Answer 14

▪ Totale Benetzung (Spreiten): θ = 0°

▪ Totale Nicht-Benetzung (𝜃 = 180°) kann dagegen nicht zustande kommen, weil zwischen kondensierten Phasen immer Anziehungskräfte auftreten

Question 15

Was beschreibt das Spreiten?

Answer 15

Spreiten beschreibt das Phänomen der durch die Grenzflächenspannung verursachten Verbreitung einer Flüssigkeit zu einer monomolekularen Schicht auf einer anderen Flüssigkeit oder einem Festkörper.

Question 16

Was beschreibt der Spreitfaktor S?

Answer 16

Der Spreitfaktor 𝑆 beschreibt das spontane Spreit- bzw. Entnetzungsverhalten eines Flüssigkeitströpfchens auf einer anderen Flüssigkeit oder einem Festkörper in einer Gasatmosphäre.

S > 0: vollständige Benetzung (Spreiten)
S < 0: partielle Benetzung (Bildung von Tropfen)

Question 17

Was versteht man unter Adhäsionsarbeit?

Answer 17

Unter der Adhäsionsarbeit Wa,αβ wird die reversible Oberflächenarbeit verstanden, die dazu nötig, ist zwei Phasen (α,β), die mit einer dritten Phase ω in Kontakt sind, voneinander zu trennen.

Die Arbeit kann maximal die doppelte Oberflächenenergie der Flüssigkeit erreichen.

Question 18

Von welchen 5 Parameter hängt die Benetzbarkeit vo Oberflächen ab?

Answer 18

Die Benetzbarkeit einer Oberfläche hängt von mehreren Parametern ab:

-Art der Flüssigkeit
-Material der Oberfläche
-Temperatur
-umgebendes Gas
-Beschaffenheit der Oberfläche

–> Oberflächenrauigkeiten beeinflussen den Kontaktwinkel und verändern dessen Berechnung.
–> Für raue Oberflächen wird zwischen zwei Benetzungszuständen unterschieden: Wenzel state vs. Cassie-Baxter state

Question 19

Vergleiche der Kontaktwinkel von rauen Oberflächen: Wenzel state vs. Cassie-Baxter sate

Answer 19

Wenzel state:
- gesamte Oberfläche ist benetzt
- Formel:
cosθw = r*cosθ
mit
r = tatsächliche Kontaktfläche/ projizierte Kontaktfläche

Cassie Baxter state:
- nur obere Berührpunkte benetzt
- Formel:
cosθcb = -1 + Φs (1+ cosθ)
mit
Φs = tatsächliche Kontaktfläche/ mögliche Kontaktfläche

Question 20

Wie wird Superhydrophobie definiert?

Answer 20

▪ Superhydrophobe Oberflächen haben per Definition einen Kontaktwinkel 𝜃 > 150°.
▪ Der Kontaktwinkel hängt im Wesentlichen von der chemischen Zusammensetzung und der Mikro- und Nanostruktur der Oberfläche ab.
▪ Superhydrophobie kann durch das Aufrauen der Oberfläche hydrophober Stoffe erreicht werden.

Question 21

Was ist der Lotuseffekt?

Answer 21

▪ Winzige Noppen auf einem Lotusblatt verwandeln seine wachsartige Oberfläche in ein extrem wasserabstoßendes, superhydrophobes Material.
▪ Wasser bildet nahezu kugelförmige Tropfen, die wie Bälle abrollen.
▪ Die Luft, die zwischen dem Wasser und den Noppen eingeschlossen ist, erhöht den Kontaktwinkel.
▪ Schmutz setzt sich nur auf die Spitzen der Noppen, wo er vom Wasser leicht benetzt und abtransportiert werden kann.

Question 22

Was für 3 verschiedenen Oberflächenmodifikation gibt es?

Answer 22

1. Oberflächenveränderung: Drying vs. phase separation:
   -Evaporation
   -PSmicroM
2. Oberflächenbeschichtung: Ultra-Ever Dry Coating
3. Superhydrophobe Beschichtung (Nanoschwämme)

Question 23

Nenne die zwei Modelle zur Berechnung des Kontaktwinkels auf feinstrukturierten Oberflächen und beschreibe deren Unterschiede.

Answer 23

Für die Bestimmung von Kontaktwinkeln auf nicht-glatten Oberflächen werden das Modell von Cassie und Baxter sowie das Modell von Wenzel genutzt.

Bei dem Modell von Wenzel ist die Oberfläche vollständig benetzt. Auf hydrophilen Oberflächen (θ<90°) verkleinert sich dadurch der Kontaktwinkel im Vergleich zu einer glatten Oberfläche, während er sich bei hydrophoben Oberflächen (θ>90°) vergrößert.

Im Gegensatz dazu liegt der Tropfen beim Modell von Cassie und Baxter auf einem Luftpolster zwischen den Rauigkeitsspitzen auf. Infolgedessen wird der Kontaktwinkel sowohl auf hydrophilen als auch auf hydrophoben Oberflächen vergrößert.

Question 24

Nenne 4 Besipiele, bei denen sich der Einfluss der Oberflächenspannung beabachten lässt.

Answer 24

• tropfender Wasserhahn
• Wasserläufer, schwimmende Büroklammer
• Kapillareffekt (Schwämme, Tintenfüller)
• Seifenblasen

Question 25

Was sind die 5 Parameter, die die Benetzbarkeit einer Oberfläche beeinflussen?

Answer 25

• Art der Flüssigkeit
• Material der Oberfläche
• Temperatur
• umgebendes Gas
• Beschaffenheit der Oberfläche

Question 26

Was versteht man unter den Begriffen Spreiten und Adhäsionsarbeit?

Answer 26

Spreiten beschreibt das Phänomen der durch die Grenzflächenspannung verursachten Verbreitung einer Flüssigkeit zu einer monomolekularen Schicht auf einer anderen Flüssigkeit oder einem Festkörper. Das spontante Spreit- bzw. Entnetzungsverhalten wird durch den Spreitfaktor S beschrieben.

Unter der Adhäsionsarbeit wird die reversible Oberflächenarbeit verstanden, die dazu nötig ist, zwei Phasen A und B, die mit einer dritten Phasen C in Kontakt sind, voneinander zu trennen

Question 27

Welcher Zusammenhang wird durch die Kelvin-Gleichung beschrieben und wie wirkt sich dieser Zusammenhang auf Kondensation aus?

Answer 27

Die Kelvingleichung beschreibt den Zusammenhang zwischen dem Dampfdruck über einer gekrümmten Oberfläche und dem Krümmungsradius.

Tropfen mit einem kleineren Radius verdampfen sofort. Es liegen also lediglich größere Tropfen flüssig vor. Dadurch kann beispielsweise Kondensation nicht mit der Bildung feinster Tröpfchen beginnen.

Question 28

Was ist die Ursache für die Oberflächenspannung?

Answer 28

Die Anziehungskräfte zwischen Molekülen sorgen für den Zusammenhalt der Flüssigkeit. Im Inneren einer Flüssigkeit ist die Resultierende der Anziehungskräfte null, da die Nachbarmoleküle über alle Richtungen gleichmäßig verteilt sind.

Betrachtet man jedoch die Grenzfläche zweier Phasen (z. B. Wasser-Luft), so haben die Flüssigmoleküle der Grenzfläche eine geringere Anzahl erster Nachbarn. Dadurch entsteht eine resultierende Kraft ungleich null in die flüssige Phase hinein (normal zur Oberfläche). Die Oberfläche einer flüssigen Phase steht also unter Spannung, in dem Bestreben, dass die Oberfläche minimal wird.

Question 29

Was ist der Lotuseffekt und wie kommt er zustande?

Answer 29

Auf den Blättern der Lotuspflanze befinden sich winzige Noppen. Gelangt ein Wassertropfen auf die Oberfläche, wird Luft zwischen dem Wasser und den Noppen eingeschlossen, was den Kontaktwinkel erhöht. Dadurch wird die Oberfläche des Blatts (super)hydrophob und die Wassertropfen rollen wie Bälle ab. Dabei transportieren sie den Schmutz ab, der sich auf den Noppen abgelagert hat.

Question 30

Was ist der Laplace’sche Krümmungsdruck und welchen Zusammenhang beschreibt die Laplace-Gleichung?

Answer 30

Aufgrund der Oberflächenspannung versuchen Flüssigkeiten ihre Oberfläche zu minimieren (Kugelform). Wegen der Oberflächenspannung herrscht in der Kugel ein Überdruck ∆p, der sogenannte Laplace’sche Krümmungsdruck (auch Kapillardruck).

Die Laplace-Gleichung beschreibt den Zusammenhang zwischen dem Druck in einer Kugel und dem Radius.