Technische Universität München Lehrstuhl I für Technische Chemie

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1 Technische Universität München Lehrstuhl I für Technische Chemie Klausur WS 2012/2013 zur Vorlesung Grenzflächenprozesse Prof. Dr.-Ing. K.-O. Hinrichsen, Dr. T. Michel Frage 1: Es ist stets nur eine Antwort richtig. a) Die Einheit der Oberflächenspannung ist: N m/s 2 N/m 2 N/m mn m J/m. 1 Punkt Datum: Uhrzeit: 12:30 14:00 Uhr Raum: CH (Emil-Erlenmeyer-Hörsaal) Hilfsmittel: Keine b) Die Kompressibilität von Monoschichten ist dann klein, wenn polymere Schichtbildner verwendet werden, große Flächenänderungen kleine Druckunterschiede liefern, große Druckanstiege bei kleinen Flächenänderungen eintreten, gasanaloge Zustände vorliegen, die Kompressibilität ist bei zweidimensionalen Monoschichten nicht definiert. 1 Punkt Punkte Max. Punkte Frage 1 5 Frage 2 3 Frage 3 3 Frage 4 4 Frage 5 3 Frage 6 3 Frage 7 3 Frage 8 4 Frage 9 2 Frage 10 3 Frage 11 5 Frage 12 4 Frage 13 2 Frage 14 3 Frage 15 3 gesamt 50 Note: c) Die DLVO-Theorie beschreibt Randwinkeleffekte bei der Spreitung von Flüssigkeiten auf Festkörperoberflächen, sterische Effekte bei der Adsorption von Polymeren an Grenzflächen, repulsive Kräfte zwischen Partikeloberflächen durch Permanentladungen, Potentialverläufe durch Überlagerung attraktiver und repulsiver Wechselwirkungskräfte, die Kinetik beim Kollaps hochkomprimierter Monoschichten. 1 Punkt d) Gegeben sei ein reaktionslimitierter, reaktiver Stoffaustausch (Metallionenextraktion) über eine flüssig/flüssig Phasengrenze (Reaktionsort Phasengrenze). Sie geben ein anionisches Tensid dazu (keine Mizellbildung). Was wird eintreten? Der Stoffstrom muss niedriger ausfallen, weil die Grenzfläche für die Reaktiion durch die Adsorptionsschicht blockiert wird. Der Stoffstrom wird durch Dämpfung der grenzflächennahen Strömung erniedrigt, Rollzellen werden sich ausbilden, der Stoffstrom wird zunehmen (Marangonieffekt), Das Aniontensid wird die Metallkationen komplexieren und stets zu einer Beschleunigung führen. Keine der zuvor genannten Optionen trifft zu. 2 Punkte Lfd. Nr. 1 Seite 1 von 11 Lfd. Nr. 1 Seite 2 von 11

2 Frage 2 : Wie ist die Ober- bzw. Grenzflächenspannung thermodynamisch definiert? Geben Sie an (eventuell mittels Skizze), welcher grundlegende molekulare Umstand an einer fluiden Phasengrenze die Basis für ein mechanisches Modell für die Ober- bzw. Grenzflächenspannung ist. Definieren Sie stets alle verwendeten Bezeichner. Frage 4: Die Methode des maximalen Blasendrucks zur Messung der Oberflächenspannung stützt sich auf Effekte an gekrümmten Grenzflächen. Geben Sie zunächst die Gleichung an, die Drücke und Krümmungen an Grenzflächen beschreibt. Leiten Sie damit die einfache Gleichung für den maximalen Blasendruck der Methode her. Machen Sie eine Skizze zu der Methode bzw. Herleitung. Benennen und definieren Sie alle verwendeten Bezeichner. Benennen Sie den wichtigen Vorteil dieser Messmethode. 4 Punkte Frage 3: Gegeben sei eine Anordnung (Flüssigkeitslamelle an Luft, begrenzt in einem Drahtbügel) gemäß der Skizze. Leiten Sie mittels einfacher Gleichungen einen Ausdruck für die Oberflächenspannung her, der ganz analog der thermodynamischen Definition ist. L Frage 5: Beschreiben Sie (auch mittels Skizze), wie nach Zisman die Oberflächenenergie ( Oberflächenspannung ) eines Festkörpers zugänglich wird. Geben Sie auch an, was die plausible Grundlage des Ansatzes ist. Definieren Sie alle verwendeten Symbole und Bezeichner. dx Bild Lfd. Nr. 1 Seite 3 von 11 Lfd. Nr. 1 Seite 4 von 11

3 Frage 6: Gegeben sei ein idealtypischer Phasenübergang, mit koexistierenden Phasen, in einer rmonomolekularen Schicht, wie in der Skizze angegeben. Tragen Sie ein, welche Verläufe sich für die π/a-isothermen qualitativ ergeben, wenn Sie verschiedene Messungen bei von Messung zu Messung zunehmender Temperatur durchführen. Berücksichtigen Sie dabei auch den Grenzfall bzw. die Grenztemperatur und geben Sie an, zu welchem Zustand auch in 3D-Bulkphasen dieser Grenzfall äquivalent ist. Frage 7: Skizzieren Sie (auch mittels Zeichnung) die einfachste experimentelle Möglichkeit zur Messung der Viskosität einer Monoschicht an Wasser/Luft-Grenzflächen. Was ist dabei dann die Haupteinschränkung und wie kann diese umgangen werden? Filmdruck Fläche Frage 8: Die Monoschicht an der Grenzfläche Wasser/Luft eines mäßig löslichen Tensids (z. B. Oktansäure) kann mittels der Filmwaagentechnik nicht sinnvoll charakterisiert werden. Begründen Sie, warum das nicht geht. Geben Sie an, wie Sie vorgehen müssen, um dennoch eine π/a-isotherme ableiten zu können. 4 Punkte Lfd. Nr. 1 Seite 5 von 11 Lfd. Nr. 1 Seite 6 von 11

4 Frage 9: Bei Multischichten, die durch die Langmuir-Blodgett-Technik präpariert wurden, sollte die periodische Struktur der Schicht senkrecht zur Substratebene nachgewiesen werden. Geben Sie eine Methode an, mit der dies möglich ist. Benennen Sie diese Methode präzise. 2 Punkte Frage 11: Adsorptionsschichten an der Wasser/Luft-Grenzfläche können durch Strömungskompression zu zeitlich stabilen Stauzuständen komprimiert werden. a) Geben Sie an, durch welche stationäre Bedingung die Staulänge definiert ist. b) Welche Größen müssen Ihnen bekannt sein und woher erhalten Sie diese, wenn Sie die aus dem Stau heraus stattfindende Desorption vollständig beschreiben wollen. Formulieren Sie dies auch mittels Gleichungen. Erklären und definieren Sie jeden verwendeten Bezeichner bzw. Symbol. 5 Punkte Frage 10: Geben Sie ein Beispiel an (Stoffsystem, eventuell auch mit Skizze), wie durch Selfassembly- Prozesse Multischichten organischer Verbindungen auf Festkörpern erzeugt werden können. Benennen Sie zwei Vorteile des Selfassembly im Vergleich zur Langmuir-Blodgett-Technik. Lfd. Nr. 1 Seite 7 von 11 Lfd. Nr. 1 Seite 8 von 11

5 Frage 12: Eine Monoschicht eines unlöslichen, desorptionsstabilen Schichtbildners wird in einer offenen Kanalströmung durch Strömungskompression komprimiert und liefert den abgebildeten Filmdruck π längs der Strömungstrecke x. Tragen Sie in die Skizze ein, welche π/x-verläufe sich ergäben, wenn Sie Frage 13: Was ist die grundlegende Triebkraft für den Zerfall von Makroemulsionen die mit Tensiden formuliert werden. Welcher Umstand führt dennoch zu der oftmals praktisch feststellbaren Stabilität? 2 Punkte a) bei der Ausgangssituation lediglich mehr des Schichtbildners auf die Oberfläche bringen, b) bei der Ausgangssituation lediglich den Volumenstrom erhöhen und c) bei sonst gleichen Verhältnissen der Ausgangssituation statt eines unlöslichen Schichtbildners eine Tensidlösung verwenden. 4 Punkte Frage 14: Nennen Sie drei praktisch relevante Anwendungsfälle für Mikroemulsionen, die ursächlich mit den Eigenschaften dieser Systeme zusammenhängen. Lfd. Nr. 1 Seite 9 von 11 Lfd. Nr. 1 Seite 10 von 11

6 Frage 15: Ein transportlimitierter Stoffaustausch über eine fluide Phasengrenze sei durch Tensidgegenwart unterhalb der kritischen Mizellbildungskonzentration (cmc) maximal gehemmt. Was bewirkt dann, bei sonst gleichen Bedingungen, die Erhöhung der Tensidkonzentration über die cmc? Geben Sie bei Ihrer Erklärung auch eine mechanistische Begründung an. Lfd. Nr. 1 Seite 11 von 11

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