Oberflächenspannung. Abstract. 1 Theoretische Grundlagen. Phasen und Grenzflächen

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1 Phasen und Grenzflächen Oberflächenspannung Abstract Die Oberflächenspannung verschiedener Flüssigkeit soll mit Hilfe der Kapillarmethode gemessen werden. Es sollen die mittlere Abstand der einzelnen Moleküle an der Oberfläche und im Inneren der Flüssigkeit verglichen werden. Theoretische Grundlagen Befindet sich ein Molekül im Inneren einer Flüssigkeit, so ist es von allen Seiten von der Flüssigkeit umgeben. Befindet es sich an der Grenzfläche, so gilt dies nur teilweise. Hier wird das Molekül sowohl von der Flüssigkeit als auch von den Molekülen der angrenzenden Gasphase, bei uns Luft, umgeben (siehe Abb. ). Abb. : Teilchen im Inneren und an der Oberfläche einer Flüssigkeit. Die Energie der Moleküle an der Grenzfläche unterscheidet sich daher von der sich im Inneren der Flüssigkeit befindlichen Teilchen. Sie weisen eine zusätzliche Energie auf, die Oberflächenenergie genannt wird. Die geometrische Form der Kugel hat das kleinste Verhältnis von Volumen zu Oberfläche und somit ist diese Form die energetisch günstigste

2 für einen Flüssigkeitstropfen. Warum sind Flüssigkeitstropfen trotzdem nicht kugelförmig, sondern haben eben eine Tropfenform? Nimmt die Oberfläche einer Flüssigkeit zu, so müssen Moleküle aus dem Inneren in die Grenzfläche nachrücken. Sie müssen also an Energie zunehmen. Dazu wird Arbeit aufgewendet, die Grenzflächenarbeit genannt wird. Sie ist im Allgemeinen proportional zur Vergrößerung der Fläche. Der Proportionalitätsfaktor wird als Grenzflächenspannung bezeichnet. Die Grenzflächenspannung oder Oberflächenspannung einer Lösung ist verschieden von der des reinen Lösungsmittels. Die Änderung der Oberflächenspannung hängt lediglich von der Konzentration des gelösten Stoffs, nicht aber von dessen Art ab. Stoffe, die sich an der Oberfläche anreichern, deren Konzentration an der Oberfläche also zunächst größer ist als in der Lösung selbst, werden als grenzflächenaktive Substanzen bezeichnet. Beispiele hierfür sind: Tenside, Fettsäuren und langkettige Alkohole. Diese Moleküle zeichnen sich durch lange unpolare (hydrophobe, wasserabweisende ) Ketten und polare (hydrophile, wasserliebende ) kleinere Kopfgruppen aus (Vgl.: Abb. ). Abb. : Schematische Darstellung einer oberflächenaktiven Substanz. Aus der Änderung der Oberflächenspannung bei verschiedenen Konzentrationen einer oberflächenaktiven Substanz in Wasser kann die Grenzflächenkonzentration der oberflächenaktiven Substanz bestimmt werden. Aufgabenstellung Im täglichen Leben begegnen uns Tenside vor allem in der Küche und im Bad in Spül- und Waschmittel bzw. Seifen und Duschgels (etc.). In diesem Versuch soll mit Hilfe der Kapillarmethode die Oberflächenspannung verschiedener Präparate bestimmt werden. Die so bestimmten Werte für die Oberflächenspannung zeigen das unterschiedliche Verhalten verschiedener Spülmittel bei gleichen Volumenanteilen. Sprich macht es einen Unterschied, welches Spülmittel verwendet wird? Des Weiteren werden die Oberflächenspannungen von Wasser, Ethanol und Sonnenblumenöl gemessen und verglichen.

3 Messmethode und Messapparatur In diesem Versuch wird die Oberflächenspannung mit Hilfe der Kapillarmethode bestimmt: Taucht man eine Kapillare (für diesen Versuch handelt es sich dabei um eine Mikroliterpipette) in eine Flüssigkeit, so bildet sich im Inneren der Kapillare eine gekrümmte Grenzfläche und der Stand der Flüssigkeit in der Kapillare ist verschieden zu dem im umgebenden Reagenzglas (Vgl.: Abb. ). Aus der Steighöhe h und dem Kontaktwinkel des Meniskus (gekrümmte Oberfläche im Inneren der Kapillare) (Vgl.: Abb.4) kann die Oberflächenspannung nach folgender Formel berechnet werden: ghrρ ghrρ σ = Gl. () cos θ Dabei ist σ die Oberflächenspannung, g die Gravitationskonstante, r der Radius der Kapillare, ρ die Dichte der Flüssigkeit, h die Steighöhe der Flüssigkeit in der Kapillare und θ der Kontaktwinkel. Dieser Kontaktwinkel θ ist in dem Versuchsaufbau nicht bestimmbar, wird jedoch zwischen 0 und 0 liegen. Da wir in der o.a. Formel mit cos θ rechnen und cos 0 = 0,985 bzw. cos 0 = 0,94, kann jedoch in guter Näherung von einem Kontaktwinkel von θ = 0 ausgegangen werden.(cos 0 = ) In der folgenden Abbildung (Abb. ) ist die Messapparatur schematisch dargestellt. P0 P0 Pinnen θ h r Abb. : Messapparatur Abb. 4: Ansteigen von Flüssigkeiten in Kapillaren

4 4 Versuchsdurchführung Das Reagenzglas wird mit 5 ml der Probelösung gefüllt. Vor jeder neuen Messreihe wird die Kapillare sorgfältig mit der jeweiligen Probelösung gespült. Dies geschieht durch kurzes, kräftiges Pumpen mit dem Blaseball und gleichzeitiges vorsichtiges Andrücken des Gummistopfens. Außerdem sollte die Lösung anschließend mit Hilfe eines Papiertuchs vollständig aus der Kapillare entfernt werden. Es werden die bereit gestellten Lösungen von verschiedenen Spülmitteln und Badeschaum verwendet. Diese enthalten 00 μl des Spülmittels bzw. Badeschaums in 00 ml MilliQ Wasser. Nach dem Eintauchen der Kapillare stellt sich eine konzentrationsspezifische Steighöhe des Meniskus ein. Dies kann auf zwei Arten geschehen, entweder durch Aufsteigenlassen oder durch Hochpumpen und Fallenlassen. Für die Steigmethode muss die Kapillare nur in die Lösung eingetaucht und so lange gewartet werden, bis sich die Steighöhe nicht mehr verändert. Für die Methode, bei der die Flüssigkeit hochgepumpt wird, wird die Apparatur zunächst abgedichtet. Mit dem Pumpbällchen wird der Flüssigkeitsstand über die spezifische Steighöhe hinaus vorsichtig(!) hoch gepumpt. Beim belüften der Apparatur fällt der Flüssigkeitsstand dann auf die spezifische Steighöhe zurück. Es sollen jeweils drei Messungen zu jeder Methode und jedem Präparat durchgeführt werden. Zwischen den Messungen der unterschiedlichen Lösungen wird die Apparatur gründlich mit MilliQ Wasser gespült. Nach Beendigung aller Messungen wird das Gerät erneut gründlich gespült und vollständig mit MilliQ Wasser gefüllt. Hierbei ist darauf zu achten, dass auch die Kapillare vollständig mit Flüssigkeit gefüllt wird. 5 Auswertung Aus den gemessenen und gemittelten Steighöhen kann nun nach Gleichung die Oberflächenspannung der verschiedenen Präparate berechnet werden. Dazu benötigt man den Radius der Kapillare. Wie lässt sich dieser berechnen? Bei der Kapillare handelt es sich um eine Mikroliterpipette, welchem geometrischen Körper entspricht die Kapillare?

5 6 Daten und Konstanten im Überblick M (Tensid): 60 g/mol ρ (Tensidlösung): Kann näherungsweise als 000 g/l angenommen werden ρ (Ethanol): 790 g/l ρ (Sonnenblumenöl): 90 g/l g: 9,8 m/s R: 8,4 J/(mol*K) N A : 6,0 *0 mol - Messwerttabellen: Wasser: Ethanol: Sonnenblumenöl: Tensid/Seife: Tensid/Spülmittel:

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