Das 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 es normalerweise genannt Oberflächenspannung. Die Kontaktphasen sind nicht mischbar, dh sie können sich nicht zusammen auflösen, um eine Lösung zu bilden. Der Kontaktbereich zwischen den Phasen wird als geometrische Trennfläche bezeichnet Schnittstelle. Die Grenzflächenspannung ist auf intermolekulare Kräfte zurückzuführen, die an der Grenzfläche vorhanden sind.
Grenzflächenspannung spielt eine wichtige Rolle bei vielen Grenzflächenphänomenen und -prozessen wie der Emulsionsproduktion und der Ölproduktion..
Artikelverzeichnis
Die Eigenschaften der Grenzfläche sind nicht dieselben 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 interne Nettokraft 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 die größte 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 die Moleküle spontan dazu, die Energie zu minimieren und die Oberfläche für jede Volumeneinheit zu minimieren..
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..
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 ist die Grenzflächenspannung definiert als die freie Energie, die pro erzeugter Flächeneinheit benötigt wird.
Die Gleichung der Grenzflächenspannung als Funktion der intermolekularen Nettokraft lautet:
γ = F / 2l [1]
F. = Nettokraft
l = Schnittstellenlänge
Die Zahl 2 in Gleichung [1] bedeutet, dass es zwei Oberflächen gibt, eine für jede Seite der Schnittstelle.
Die Grenzflächenspannung als Funktion der zur Erzeugung einer Oberflächeneinheit erforderlichen Arbeit wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt:
γ = W / ΔA [zwei]
W. = Arbeit
ΔA = Vergrößerung der Oberfläche
Die Schaffung des Grenzflächenbereichs geht mit einer Erhöhung der freien Bildungsenergie einher.
γ = ΔE/.ΔA [3]
ΔE = Bildungsenergie der Grenzfläche
Die Grenzflächenspannungseinheiten im internationalen System sind N / m oder Joule / mzwei. Oft wird auch Dyn / cm oder mN / m verwendet.
Einer der Hauptfaktoren, die die Grenzflächenspannung beeinflussen, ist die Temperatur. Mit steigender Temperatur nehmen die Wechselwirkungskräfte ab. Infolgedessen nimmt auch die Nettokraft ab, die die Oberfläche zusammenzieht, was zu einer Abnahme der Grenzflächenspannung führt..
Wenn die Temperatur weiter ansteigt, wird es eine Zeit geben, in der die Grenzflächenspannung verschwindet und es keine Trennfläche mehr zwischen den Phasen gibt. Die Temperatur, bei der die Grenzflächenspannung verschwindet, wird als kritische Temperatur bezeichnet (tc).
Der Grund, warum die Grenzflächenspannung abnimmt, besteht darin, dass mit steigender Temperatur die kinetische Energie aufgrund der Zunahme der thermischen Bewegung der Moleküle zunimmt..
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..
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.
Bei diesem Verfahren wird die Kraft zum Trennen der Oberfläche eines Metallrings von einer Flüssigkeitsoberfläche gemessen, wobei sichergestellt wird, dass der Ring vor dem Messen vollständig in die Flüssigkeit eingetaucht ist. Die Trennkraft entspricht der Grenzflächenspannung und wird mit einer hochpräzisen Waage gemessen.
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.
Das Rotations-Tropfen-Verfahren ist sehr nützlich zur Messung sehr geringer Grenzflächenspannungen, die für den Herstellungsprozess 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 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 der Drehzahl.
Bisher hat noch niemand einen Kommentar zu diesem Artikel abgegeben.