PDF, 112,7 KB

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.
1 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. 1).
Abb. 1: 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
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. 2).
Abb. 2: 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.
2 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. 3). 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:
σ =
ghrρ
ghrρ
≈
2 cos θ
2
Gl. (1)
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 20° liegen. Da wir in der o.a. Formel mit cos θ rechnen und cos 10°
= 0,985 bzw. cos 20° = 0,94, kann jedoch in guter Näherung von einem Kontaktwinkel von θ
= 0 ausgegangen werden.(cos 0° = 1)
In der folgenden Abbildung (Abb. 3) ist die Messapparatur schematisch dargestellt.
P0
θ
P0
Pinnen
r
Abb. 3: Messapparatur
Abb. 4: Ansteigen von Flüssigkeiten in Kapillaren
h
4 Versuchsdurchführung
Das Reagenzglas wird mit 25 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 200 μl des Spülmittels bzw. Badeschaums in 100 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 1 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?
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
6 Daten und Konstanten im Überblick
M (Tensid): 360 g/mol
ρ (Tensidlösung): Kann näherungsweise als 1000 g/L angenommen werden
ρ (Ethanol): 790 g/L
ρ (Sonnenblumenöl): 930 g/L
g: 9,81 m/s2
R: 8,314 J/(mol*K)
NA: 6,022 *1023 mol-1
Messwerttabellen:
Wasser:
Ethanol:
Steigend
Fallend
Steigend
1
2
3
Mittelwert:
1
2
3
Mittelwert:
Sonnenblumenöl:
Tensid/Seife:
Steigend
Fallend
1
2
3
Mittelwert:
Tensid/Spülmittel:
Steigend Fallend
1
2
3
Mittelwert:
Steigend
1
2
3
Mittelwert:
Fallend
Fallend

Download Report