Die Grenz- und Oberflächenspannung von Flüssigkeiten erklärt

Abbildung 1: Die hohe Oberflächenspannung von Wasser ist der Grund, warum ein Wasserläufer nicht untergeht.

Die Grenz- und Oberflächenspannung einer Flüssigkeit lässt Rückschlüsse darauf zu, wie gut die Flüssigkeit auf einem Festkörper spreitet oder sich mit einer anderen Flüssigkeit vermischt. Sie kann sowohl optisch als auch kraftbasiert gemessen werden. Besonders niedrige Grenzflächenspannungen können mit der Spinning-Drop-Methode bestimmt werden.

Was sind Grenz- und Oberflächenspannung?

Bei Flüssigkeiten kann die Grenzflächenspannung der Grenzflächenenergie gleichgesetzt werden. Bei Festkörpern ist dies nicht möglich. Der Begriff Grenzflächenspannung bezieht sich auf die Grenzfläche zwischen zwei Flüssigkeiten. Die Oberflächenspannung bezieht sich auf die Wechselwirkungen zwischen einer flüssigen und einer gasförmigen Phase. Ein Beispiel ist die Oberflächenspannung von Wasser gegen Luft. Die Oberflächenspannung hat das Formelzeichen σ und wird in N/m angegeben.

Flüssigkeiten streben immer eine Verkleinerung der Grenzfläche an. Ein Beispiel ist ein Wassertropfen in Luft: dieser formt sich am liebsten zu einer Kugel, denn eine Kugel hat die kleinstmögliche Kontaktfläche zur Umgebungsluft. Als äußere Kraft wirkt die Gravitation auf diese Kugel, weshalb sich die typische Tropfenform von Flüssigkeiten ausbildet.

Welche Auswirkungen hat die Oberflächenspannung?

In der praktischen Anwendung erlaubt die Ermittlung der Oberflächenspannung, wie Flüssigkeiten einen Feststoff benetzten, wie sie sich mit einer anderen Flüssigkeit vermischen und wie sie sich gegen ein Gas verhalten. Tendenziell gilt: je höher die Oberflächenspannung, desto höher sind die Wechselwirkungen der Teile einer Phase miteinander. Das bedeutet, dass Flüssigkeiten mit höherer Oberflächenspannung weniger geneigt sind, sich mit einer anderen Phase zu vermischen.

Ein Beispiel: Die Oberflächenspannung von Wasser (gegen Luft) beträgt 72,8 mN/m bei 20 °C und ist damit relativ hoch. Die Oberflächenspannung ist der Grund, warum sich auf einer Wasseroberfläche eine Art Haut bildet. Deshalb schwimmt etwa eine Büroklammer auf der Wasseroberfläche und ein Wasserläufer kann auf dem Wasser laufen. Öl hingegen hat eine Oberflächenspannung von nur circa 35 mN/m – deshalb spreitet Öl leicht auf einer Oberfläche bzw. benetzt diese leichter. Diese Eigenschaft wird z.B. in sogenannten Kriechölen ausgenutzt.

Praktische Anwendungen für die Bestimmung der Oberflächenspannung von Flüssigkeiten

In der Chemie und Materialwissenschaft ist die Messung der Oberflächenspannung wichtig, um das Verhalten von Flüssigkeiten auf Oberflächen zu verstehen. Dies ist zum Beispiel relevant bei der Entwicklung von Beschichtungen und Farben. Eine niedrige Oberflächenspannung kann dazu führen, dass Flüssigkeiten sich leicht auf Oberflächen ausbreiten und eine gleichmäßige Beschichtung bilden, während eine hohe Oberflächenspannung zu ungleichmäßiger Benetzung führen kann.

In der Lebensmittelindustrie ist die Messung der Oberflächenspannung wichtig, um die Qualität von Lebensmitteln zu gewährleisten. Eine zu hohe Oberflächenspannung kann dazu führen, dass Flüssigkeiten nicht gut in Lebensmittelstrukturen eindringen, was zu einer geringeren Geschmacks- und Aromaaufnahme führt. Die richtige Oberflächenspannung ist auch wichtig für die Bildung von Emulsionen und Schäumen.

In der Umweltwissenschaft ist die Messung der Oberflächenspannung wichtig, um das Verhalten von Flüssigkeiten in der Umwelt zu verstehen. Dies kann beispielsweise bei der Untersuchung von Ölverschmutzungen in Gewässern oder bei der Entwicklung von umweltfreundlichen Reinigungsmitteln von Bedeutung sein.

Die Messung der Oberflächenspannung ist auch in der Pharmazie von großer Bedeutung. Die Oberflächenspannung kann die Adsorption und Freisetzung von Arzneimitteln beeinflussen.

Messmethoden zur Ermittlung der Oberflächenspannung

Grenz- und Oberflächenspannungen können mit Hilfe eines kraftbasierten Tensiometers gemessen werden. Gängige Methoden zur Messung von Oberflächen- und Grenzflächenspannungen sind die Wilhelmy-Platten-Methode und die Du-Noüy-Ring-Methode.

Die Ober- und Grenzflächenspannung von Flüssigkeiten kann ebenfalls mit Hilfe eines optischen Kontaktwinkelmessgerätes bestimmt werden. Hierbei wird ein Tropfen gemessen, der am Ende der Dosiernadel hängt. Dieses Verfahren wird als Pendant-Drop-Methode (hängender Tropfen) bezeichnet.

Sollen sehr niedrige Grenzflächenspannungen zwischen zwei Flüssigkeiten gemessen werden, ist ein Spinning-Drop-Tensiometer das Messgerät der Wahl. Die Spinning-Drop-Methode beruht auf der optischen Konturauswertung eines rotierenden Tropfens.

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