Oberflachenspannung – Benetzung – Kapillaritat

Jede Fliissigkeit neigt dazu, ihre Oberflache moglichst klein zu halten. Der Idealzustand ist erreicht, wenn sie Kugelgestalt annimmt. Benetzt man beispielsweise eine gewachste Ober­flache mit Wasser, so bilden sich kleine deformierte Kugelchen.

Das Bestreben zur Ausbildung kleinster Oberflachen lasst sich auf der Grundlage der den inneren Zusammenhalt der Fliissigkeit bewirkenden intermolekularen Krafte (Kohasions- krafte) erklaren. Im Inneren der Fliissigkeit wird ein Molekiil von alien benachbarten Mo – lekiilen gleich stark angezogen (Abb. 6.4). Dadurch kompensieren sich die auf das Molekiil wirkenden Anziehungskrafte im zeitlichen Mittel, die Resultierende ist null. Dagegen wir – ken auf die an der Oberflache befindlichen MolekUle vor allem Krafte, die in das Flussig – keitsinnere gerichtet sind und die vonseiten der Gasphase nicht kompensiert werden. Die Teilchen einer diinnen Oberflachenschicht – ihre Dicke entspricht etwa der molekularen Wirkungssphare von ca. 10"8 m – erfahren eine resultierende Anziehung in das Innere der Fliissigkeit. Diese nach innen gerichtete Kraft wird als Binnen- oder Kohasionsdruck be – zeichnet.

image71Abbildung 6.4

Schematische Darstellung der intermoleku­laren Wechselwirkungskrafte im Inneren und an der Oberflache einer Fliissigkeit

Soil die Oberflache vergroBert werden, muss gegen diese resultierende Zugkraft Arbeit geleistet werden. Oberflachenmolekiile besitzen potentielle Energie, die man auch als Oberflachenenergie bezeichnet. Wenn auBere Krafte fehlen, besitzt die Oberflachenenergie ein Minimum. Flussigkeitstropfen nehmen Kugelform an, sie verhalten sich ahnlich wie gespannte Gummimembranen.

Die Arbeit AW zur VergroBerung der Oberflache ist proportional der OberflachenvergroBe – rung AA: AW= a • AA. Der Proportionalitatsfaktor crwird als Oberflachenspannung (auch: spezifische Oberflachenenergie) definiert.

Die Oberflachenspannung oder „spezifische Oberflachenenergie“ ist der Quotient aus geleisteter Arbeit AW zur VergroBerung der Oberflache und der Oberflachen – vergroBerung AA: a = AW/AA.

Oberflachenspannung - Benetzung - Kapillaritat Подпись: Abb. 6.5 BCigelexperiment zur Bestimmung der Oberflachenspannung
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Als Einheit der Oberflachenspannung ergibt sich J/m2 = N/m. Auf der Grundlage dieser Einheiten (N/m -» Kraft/Lange) erscheint der Begriff Oberflachenspannung zunachst et – was irrefuhrend. Eine Erklarung liefert die Bestimmung der Oberflachenspannung, die im Praktikumsversuch meist mittels Bugelmethode erfolgt. Man benutzt einen U-formigen Drahtbugel mit einer verschiebbaren Briicke (Abb. 6.5).

Der Drahtbugel wird senkrecht in eine Seifenlauge getaucht. Danach wird der Bugel lang – sam herausgezogen, so dass sich eine Flussigkeitshaut bildet. Vemachlassigt man die Ran – der und beachtet, dass die Haut zwei Seiten besitzt, kommt man auf eine Gesamtflache A = 2 / s. Nun zieht man den Bugel um ein kleines Stiick (As) heraus. Um auf diese Weise die Oberflache zu vergroBern, muss Arbeit geleistet werden. Entsprechend der Definition von Arbeit als Kraft mal Flache AW= F As folgt fur die Oberflachenspannung (Gl. 6-2).

AW _ F * As _ F

AA ~ 21 ■ As ~ 21 (Einheiten: J/m2 = N/m) (6-2)

Die Oberflachenspannung ist die auf die Lange (l) der Randlinie bezogene Kraft. Oberfla­chenspannung und spezifische Oberflachenenergie sind dimensionsgleich. In Tabellen ist es ublich, Oberflachenspannungen in der Einheit 10 3 N/m anzugeben, da Millinewton pro m sich mit der frixher verwendeten Einheit dyn/cm deckt.

Die hohe Oberflachenspannung des Wassers – sie ist etwa dreimal so groB wie die der meisten anderen Fliissigkeiten – ist eine unmittelbare Folge der Wasserstoffbruckenbin – dungen zwischen den H20-Molekillen. Mit ansteigender Temperate nimmt sie ab, da die schnelleren Molekulbewegungen den intermolekularen Bindungskraften entgegenwirken. Die auBergewohnlich hohe Oberflachenspannung des Quecksilbers kann auf die metalli – sche Bindung zwischen den Hg-Atomen zuriickgefuhrt werden. Tab. 6.2 enthalt die Werte fur die Oberflachenspannung einiger ausgewahlter Flussigkeiten.

Tabelle 6.2

Подпись:Oberflachenspannung einiger ausgewahlter flQssiger Substanzen gegen Luft (20°C)

Benetzung. Die Ausbreitung einer Flussigkeit auf einer festen Oberflache bezeichnet man als Benetzung. Das AusmaB der Benetzung hangt von der Starke der sich ausbildenden Adhasionskrafte ab. Sind in der Grenzschicht Festkorper/Flussigkeit die Adhasionskrafte zwischen den Molektilen des Festkorpers und der Flussigkeit sehr viel groBer als die Koha – sionskrafte zwischen den Flussigkeitsmolekulen, breitet sich die Flussigkeit auf der Ober­flache des festen Korpers aus. Uberwiegen die Kohasionskrafte, zieht sich die Flussigkeit zu mehr oder weniger flachen Tropfen zusammen. Zum Beispiel bilden sich beim Kontakt von polaren Stoffen, wie z. B. mineralischen Baustoffen und Glas, mit polarem Wasser infolge Ion-Dipol – bzw. Dipol-Dipol-Anziehung starke Adhasionskrafte aus und die Ober­flache wird intensiv benetzt. Dahingegen sind beim Kontakt von Wasser mit unpolaren Stoffen wie Kunststoffen die Adhasionskrafte im Vergleich zu den Kohasionskraften ver- nachlassigbar klein. Die Benetzung ist gering.

Подпись: Abbildung 6.6 Benetzung einer festen Oberflache

Ein MaB fur die Benetzbarkeit einer Oberflache ist der Kontakt – oder Randwinkel a eines auf der Oberflache aufsitzenden Wassertropfens (Abb. 6.6). a ist der Winkel zwischen der Festkorperoberflache und der Tangente an einem darauf ruhenden Wassertropfen an den Phasengrenzen Wasser/Festkorper/Luft. In der Regel wird bei Kontaktwinkeln < 90° von hydrophilen (wasserliebenden) und bei Winkeln > 90° von hydrophoben (wasserabsto- Benden) Oberflachen gesprochen. Zahlreiche Oberflachen, insbesondere Glas und Kerami – ken, konnen mit Randwinkeln zwischen 30…60° weder als besonders hydrophob noch als besonders hydrophil bezeichnet werden.

Bringt man einen Flussigkeitstropfen auf eine Festkorperoberflache, so bildet sich neben den beiden vorhandenen Grenzflachen 1/g (fliissig-gasformig) und s/g (fest-gasformig) eine neue Grenzflache s/1 (fest-fliissig; mit s solidus, fest; / liquidus, flussig; g gaseous, gasfor – mig) aus. Den Zusammenhang zwischen den drei wirksamen Grenzflachenspannungen alg
(Oberflachenspannung im engeren Sinne), gsi, asg und dem Randwinkel a (Abb. 6.6) gibt die Youngsche Gleichung wieder (6-3).

asg – asі = Gig • cos a Youngsche Gleichung (6-3)

Der Randwinkel bestimmt die GroBe der Kontaktflache fest-flussig. Fur den Fall asi + aig = asg ist der Kontaktwinkel a null (cos 0° = 1), die Oberflache wird vollstandig benetzt. Die Wassertropfen spreiten, d. h. sie flieBen zu einem dunnen monomolekularen Film auseinan – der. Dagegen bedeutet ein Kontaktwinkel von 180° vollstandige Unbenetzbarkeit. Die Wassertropfen nehmen die Idealgestalt kleiner Kugelchen an und die Oberflache bleibt trocken. Beide Grenzfalle kommen in der Natur nicht vor.

Eine Erniedrigung der Oberflachenspannung Gig und damit des Randwinkels erreicht man durch grenzflachenaktive Stoffe (Tenside, Кар. 6.2.2.3). Sie erhohen die Benetzbar – keit und finden im Bauwesen als Betonverflussiger, FlieBmittel oder Luftporenbildner An – wendung (Кар. 9.3.4).

Eine Erhohung der Grenzflachenspannung gsi – was gleichbedeutend mit einer Vergro – Berung des Randwinkels ist – kann durch chemische Modiflzierung der Oberflache bewirkt werden, z. B. Behandlung der Oberflache mit Fluorpolymeren oder Silanen/Siliconen (Hydrophobierung/Bautenschutz, Кар. 9.2.4).

Kapillaritat. In einem Glasrohr sind die Adhasionskrafte zwischen Glaswand und Wasser starker als die Kohasionskrafte des Wassers. Es bildet sich eine konkave (nach innen ge – wolbte) Oberflache aus, da das Wasser bestrebt ist, soviel wie moglich von der Festkor – peroberflache zu benetzen (Abb. 6.7a). Eine gekrummte Flussigkeitsoberflache in einem engen Rohr wird als Meniskus (grieck kleiner Mond) bezeichnet.

Подпись: b) Adhasionskrafte < Kohasionskrafte z.B. Quecksilber
Подпись: a) Adhasionskrafte > Kohasionskrafte z.B. Wasser

Der Meniskus von Quecksilber in einem Glasrohr ist konvex (nach auBen gewolbt), denn im Quecksilber sind die Kohasionskrafte viel starker als die Adhasionskrafte zwischen dem fliissigen Metall und der Glaswand. (Abb. 6.7b).

Abbildung 6.7 Wechselspiel zwischen Adhasions – und Kohasionskraften in

engen Rohren a) konkave Oberflache, b) konvexe Oberflache.

Die stark wirksamen Adhasionskrafte zwischen H20 und der inneren Oberflache von engen Rohren (Kapillaren) sind die Ursache der sogenannten Kapillaritat. Durch eine Benetzung der Innenflache der Kapillaren wird die Oberflache vergroBert. Die hohe Oberflachenspan-

Oberflachenspannung - Benetzung - Kapillaritat Подпись: g = Erdbeschleunigung 9,81 m/s2 Подпись: (6-4)

nung des Wassers wirkt der VergroBerung der Oberflache entgegen, folglich steigt der Meniskus unter Verringerung der Gesamtoberflache an. Eine Flussigkeit kann nur solange in einer Kapillare aufsteigen, solange der Gesamtprozess mit einem Gewinn an potentieller Energie verbunden ist. Die zuletzt erreichte Hohe h der Flussigkeit ist proportional zur Oberflachenspannung a und umgekehrt proportional zur Dichte p und zum Radius r des Kapillarrohres.

Aus Beziehung (6-4) folgt, dass Flussigkeiten in Rohren geringeren Durchmessers hoher steigen als in weniger engen Rohren. Beispielsweise steigt das Wasser in einer Kapillare mit einem Durchmesser von 1 mm bis zu einer Hohe h = 3 cm, bei einem Kapillardurch – messer von 0,01 mm betragt die Steighohe bereits 3 m. Die Praxis zeigt jedoch, dass die nach Gl. (6-4) berechneten Steighohen in der Regel zu hoch liegen.

Das kapillare Steigvermogen spielt im Bauwesen eine wichtige Rolle, da mit Ausnahme von dichten, wenig porosen Natursteinen alle silicatischen Baustoffe Kapillaren, Poren oder Kavemen besitzen. Dadurch kann sich das Mauerwerk, der Mortel oder der Beton, wenn sie in Kontakt mit durchfeuchtetem Boden stehen, bis in hohere Schichten mit Feuchtigkeit durchziehen. Voraussetzung ist, dass Kapillaren mit einem entsprechend ge – ringen Durchmesser in vertikaler Richtung untereinander in Verbindung stehen. Grobpo – rige Baustoffe sind aufgrund groBer Poren von vomherein nicht kapillaraktiv.