Vorlesung 5: Gas-Flüssig-Grenzflächen

Question 1

Was definiert die Grenzflächhenkonzentratin bei Gas-Flüssig Gemischen?

Answer 1

▪ Die Grenzflächenkonzentration ist eine Flächenkonzentration [mol/m2]
▪ Die Grenzflächenkonzentration ist eine Exzessgröße
-Maß für die Abweichung der realen Konzentration von der idealisierten Konzentration (nach Gibbs)
-Die Position der Gibbs‘schen Trennebene wird per Konvention so gewählt, dass die Grenzflächenkonzentration des Lösungsmittels Γ = Γ𝑙𝑖𝑛𝑘𝑠 + Γ𝑟𝑒𝑐h𝑡𝑠 = 0 beträgt

Question 2

Was ist der Unterschied zwischen der realen Phasengrenze zwischen Gas-flüssig-Gemischen und der Modellvorstellung von Gibbs?

Answer 2

In der Modellvorstellung gehen wir von einer klaren Phasengrenze aus. Die reale Phasengrenze, hat eine inhomogene Region an der Grenze, also eher so ein Übergangsbereich.

Question 3

Wie verändert sich die Oberflächenspannung bei Anreicherung von Komponenten?

Answer 3

Die Oberflächenspannung einer Lösung verändert sich mit der Anreicherung einer oder mehrerer Komponenten in der Grenzschicht.

Question 4

Adsorption - Was sind 4 Effekte an den Grenzflächen von Luft und Lösungen?

Answer 4

Die Adsorption hat wesentliche Effekte an der Grenzfläche von Luft und Lösungen:

1. Flüssigkeitstropfen ändern ihre Form
2. Schaum entsteht auf Flüssigkeiten
3. Materialien lassen sich einfacher reinigen
4. Kapillarkräfte werden reduziert

Question 5

Was sind Grenzflächenaktive Substanzen / Tenside?

Answer 5

▪ Surface active agents (surfactants)
= grenzflächenaktive Substanzen (Tenside)

▪ Amphiphil (Moleküle sind sowohl hydrophil als auch lipophil)

▪ Vier Klassen von Tensiden:
1. Anionische
2. Kationische
3. Zwitterionische
4. Nichtionische

▪ Tenside erfahren eine starke Adsorption an der Wasser-Luft-Grenzfläche.

▪ Tenside reduzieren die Oberflächenspannung.

Question 6

Wann bilden sich Mizellen?

Answer 6

Tensidmoleküle bilden bei Überschreitung der kritischen Mizellbildungskonzentration (CMC) Aggregate.

Question 7

Wie sieht die Mizellenstruktur aus?

Answer 7

▪ In verdünnten Lösungen sind Mizellen kugelförmig
▪ Durchmesser ≈ zweifache Länge des Moleküls
▪ Aggregat aus ca. 30 – 100 Molekülen

Question 8

Wofür steht die Abkürzung CMC?

Answer 8

kritische Mizellbildungskonzentration

Question 9

Was sind die 5 Einflussfaktoren auf CMC?

Answer 9

Kettenlänge (𝜆):
- Je länger die Alkyl-Kette, desto geringer ist die Löslichkeit der Moleküle im Wasser.
- ln𝑐𝑚𝑐 =𝑎−𝑏𝜆
- Bei geradkettigen ionischen Surfactants variiert die CMC um den Faktor 2 mit der Länge der Kette.

Salz bei ionischen Surfactants:
- Gelöstes Salz senkt die CMC durch Abschirmung der Ladung des hydrophilen Teils des Moleküls.

Struktur der Alkyl-Gruppe:
- je verknoteter der hydrophobe Teil eines Moleküls ist, desto höher ist die CMC.
- Ein Benzolring in der Alkylkette senkt die CMC.

Polare Additive:
- Langkettige Moleküle mit einer polaren Gruppe senken die CMC.
- Das Additiv wird durch den Einbau in die Mizellenstruktur gelöst.

Question 10

Was ist der Marangoni-Effekt?

Answer 10

Der Marangoni-Effekt beschreibt die Strömung, die durch Oberflächenspannungsgradienten entsteht. Die Flüssigkeit bewegt sich von Bereichen mit niedriger zu Bereichen mit hoher Oberflächenspannung. Der Gradient kann durch Temperatur- oder Zusammensetzungsunterschiede indirekt oder direkt durch lokalisierte Zugabe von Tensiden verursacht werden.

Question 11

Was sind Aerosole?

Answer 11

Ein Aerosol („Lösung in Luft“) ist eine Dispersion von flüssigen oder festen Teilchen in einem Trägergas.

Question 12

Was sind die 5 Typische Treibmittel?

Answer 12

▪ Flüssiggase
Gemisch aus Propan, Iso- und n-Butan
Einsatz: Haushaltsprodukten

▪ Dimethylether
Weiteres Flüssigtreibgas
Einsatz: Körperpflegeprodukte und Lufterfrischer

▪ Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW)
Einsatz in den meisten westlichen Ländern nur noch erlaubt in Inhalationssprays (z.B. gegen Asthma)

▪ Nichtlösliche, verdichtete Gase
u.a. verdichtete Luft und Stickstoff * Alternative zu den LPGs
Einsatz: Konsumgüter

▪ Lösliche, verdichtete Gase
u.a. Kohlendioxid
Einsatz hauptsächlich limitiert auf alkoholische Systeme (Deodorants, Körperpflegeprodukte, Luftaufbereitung)

Question 13

Von welchen 4 Faktoren hängt die Konsistenz des Produktes ab?

Answer 13

▪ Chemische Zusammensetzung des Treibgases und des Produkts
▪ Verhältnis von Treibgas und Produkt
▪ Druck des Treibgases
▪ Der Größe und Form des Ventil-Systems

Question 14

Was sind die Kriterien der Schaumstabilität?

Answer 14

Stabilität des Schaumes wird determiniert durch:
- Volumen des Schaums
- Blasengröße
- Flüssigkeitsgehalt
- Löslichkeit der Flüssigkeit für das Gas

Stabilitätsvergleich von Schäumen geschieht über die Lebensdauer

Question 15

Aus was bestehen Schaum - Filme?

Answer 15

Seifenfilme bestehen aus einer dünnen Schicht einer Seifenlösung, an deren beiden Seiten Tenside adsorbiert sind.

→ Schaumlamelle

Question 16

Wie ist das Henry-Gesetz definiert?

Answer 16

pi = k*ci

Question 17

Was ist eine Plateau-Kante?

Answer 17

▪ An der Stelle, an der drei Blasen eines Schaumes zusammentreffen, entsteht eine Plateau-Kante.

▪ Auf Grund der unterschiedlichen Kurvenradien ist der Druck in der Plateau-Kante geringer als in den Schaumlamellen.

▪ Flüssigkeit tendiert, dorthin drainiert zu werden.

▪ Der Seifenfilm wird dünner und der Schaum verliert an Stabilität.

▪ Ein Abstoßungsdruck verhindert, dass sich die grenzflächenaktiven Schichten berühren.

Question 18

Durch welche Mechanismen zerfällt der Schaum?

Answer 18

1. Schaumdrainage
   * Flüssigkeit fließt auf Grund der Schwerkraft nach unten
   * Lamellen zwischen den Gasen werden immer dünner, bis sie zerplatzen.
2. Vergröberung (Ostwald-Reifung)
   * Zunahme der mittleren Blasengröße
   * Diffusion des Gases aus kleineren Blasen in größere, weil dort geringere Drücke herrschen

3.Verdunstung am oberen Ende des Schaums

Question 19

Was sind die 6 Inhaltsstoffe von Waschmittel?

Answer 19

▪ Tensid-System
▪ Aufbaustoffe
▪ Aufheller und Bleicher
▪ Elektrolytfüller
▪ Weichmacher
▪ Marketingstrategische Inhaltsstoffe

Question 20

Erkläre ein Tensid-System an dem Beispiel Waschmittel

Answer 20

▪ Häufig eine Komposition aus anionischer Benzolsulfonsäure (ABS) und nichtionischen Tensiden.

▪Unterstützung der Benetzung von Schmutz und Substrat mit Reinigungslösung durch Adsorption an der Grenzfläche von Substrat bzw. Schmutz und Reinigungslösung.

Mechanismus:

▪ Tenside verringern die Oberflächenspannung des Wassers.

▪ Benetzungsfähigkeit des Wassers wird heraufgesetzt.

▪ Kontakt der flüssigen Phase mit dem Substrat bzw. dem Schmutz wird verbessert.

Question 21

Was ist Schmutz?

Answer 21

Schmutz ist eine komplexe Mischung aus:
- Partikelförmigen Teilchen
- Öl
- Fetten
- Proteinen

Reinigung von Materialien geht immer einher mit Bewegung, da die Scherkräfte das Lösen von Partikeln begünstigen.

Schmutz kann sowohl hydrophob als auch hydrophil sein.

Question 22

Was ist die Funktionsweise von Waschmittel?

Answer 22

1. Tensidmoleküle breiten sich auf der Oberfläche des Substrats aus.
2. Repulsive Wechselwirkungen der Kopfgruppen bewirken eine Zerteilung und Lockerung des Schmutzes.
3. Dies führt zu einem Loslösen des Schmutzes.
4. Um das Schmutzpartikel bildet sich eine Monolage von Tensidmolekülen.
5. Repulsive Wechselwirkung bewirken, dass die Schmutzpartikel in Lösung bleiben.

Question 23

Was sind die Aufbaustoffe von Waschmittel und ihr Funktion?

Answer 23

▪ Unterstützen den Wirkmechanismus von Tensiden.

▪ Sodium Tripolyphosphate oder Sodium Carboxylmethylcellulose

▪ Funktion:
- Speichern der Waschflüssigkeit
- Komplexbildner für Ca2+ und Mg2+
- Unterstützende Wirkung in lehmhaltigen Suspensionen

Question 24

Was sind die 3 weiteren Inhaltsstoffe von Waschmittel?

Answer 24

Bleicher:
* Natriumperborate
* Abgabe von Sauerstoff bei Wärmezufuhr in Wasser.

Aufheller:
* Fluoreszierende Materialien
* Absorption von UV-Licht und Ausstrahlung dieses am blauen Ende des sichtbaren Spektrums.

Elektrolytfüller:
* Natriumsulfat
* Absenken der CMC und Erhöhung der Aktivität der Tenside.

Question 25

Was macht Weichspüler aus?

Answer 25

Problem: Trockenstarre von trocknender Wäsche
* Ursache: Beim Trocknen entstehen zwischen den Fasern elektrostatische Wasserstoffbrückenbindungen

Lösung: Einsatz von kationischen Tensiden
* Ursache: Starke Adsorption an den negativ geladenen Fasern; Beschichtung mit Tensiden führt dazu, dass die Fasern aneinander gleiten

Question 26

Was sind die Einflussfaktoren: Bier; Schaumbildung?

Answer 26

Wie viel Schaum beim Einschenken eines Bieres entsteht und wie stabil er ist, hängt ab von:

Kohlendioxid-/Stickstoffgehalt 5 − 5,6 𝑔 𝑙

Menge an Hopfen und Malz:
- Hopfenreiches Bier hat mehr Proteine.
- Je länger der Gärprozess, desto höher der Anteil an gelösten Proteinen.
- Einflussfaktor Filtration

Art der Schaumerzeugung

Temperatur des Bieres

Temperatur des Glases

Alter des Bieres

Wartezeit nach dem Öffnen der Flasche

Luftdruck

Question 27

Was ist die kritische Mizellbildungskonzentration ist und wie hängt diese mit der Oberflächenspannung zusammen?

Answer 27

Zunächst befindet sich das Tensid als individuell aufgelöste Moleküle im Lösungsmittel. Wird eine kritische Konzentration überschritten, aggregiert ein Teil der Tensidmoleküle in Lösung zu sogenannten Mizellen. Diese Konzentration heißt kritische Mizellbildungskonzentration (CMC). Ab diesem Punkt ist die Oberflächenspannung γ unabhängig von der Konzentration.

Question 28

Was ist eine Plateau-Kante und was passiert an dieser?

Answer 28

Eine Plateau-Kante entsteht, wenn in einem Schaum drei Blasen aufeinandertreffen. Aufgrund der Kurvenradien ist der Druck dort geringer als in den Lamellen und Flüssigkeit tendiert, zur Plateau-Kante hin drainiert zu werden. Infolgedessen wird der Seifenfilm in den Lamellen dünner und der Schaum verliert an Stabilität.

Question 29

Durch welche Mechanismen zerfällt der Schaum?

Answer 29

1) Schaumdrainage: durch die Schwerkraft sowie den verringerten Druck in den Plateau-Kanten werden die Lamellen dünner und zerplatzen.

2) Ostwald-Reifung: aufgrund des höheren Krümmungsdrucks bei kleinem Radius wachsen große Blasen auf Kosten der kleinen.

3) Verdunstung am oberen Ende des Schaums.

Question 30

Was ist die Kraft-Temperatur?

Answer 30

Ab der Krafft-Temperatur findet ein starker Anstieg der Löslichkeit für ionische Tenside statt. Unterhalb dieser Temperatur fallen hydratisierte Kristalle durch Zugabe von Tensidmolekülen über der Löslichkeitsgrenze aus. Oberhalb der Krafft-Temperatur ist die Mizellbildung möglich und die Löslichkeit erfährt einen signifikanten Anstieg. Nichtionische Tenside zeigen den gegenläufigen Effekt (Trübungspunkt).

Question 31

Was sind neben der Temperatur verschiedene Einflussfaktoren auf die kritische Mizellbildungskonzentration (CMC)?

Answer 31

• Kettenlänge: je länger die Alkyl-Kette ist, desto geringer ist die Löslichkeit der Moleküle in Wasser
• Salz bei ionischen Surfactants: die CMC sinkt durch Abschirmung der Ladung des hydrophilen Kopfs
• Polare Additive: senken die CMC, da sie durch Einbau in die Mizellenstruktur gelöst werden
• Struktur der Alkyl-Gruppe: je verknoteter, desto höher die CMC; ein Benzolring dagegen senkt die CMC
• Struktur der Kopfs