Kraft, die entlang einer Linie auf der Flüssigkeitsoberfläche wirkt

Gemessen in Newton pro Meter (N/m) oder Dyn pro Zentimeter (dyn/cm). Wenn Sie sich einen Rahmen mit einer beweglichen Seite vorstellen, die mit einem Flüssigkeitsfilm in Kontakt steht, ist die Oberflächenspannung die Kraft, die an dieser Seite zieht, geteilt durch ihre Länge. Dies ist die mechanische Definition.

Formel: γ = F/L, wobei F = Kraft, L = Kantenlänge

Beispiel: Wasser bei 20°C = 72.8 mN/m bedeutet 0.0728 N Kraft pro Meter Kante

Energie, die zur Schaffung einer neuen Oberfläche erforderlich ist

Gemessen in Joule pro Quadratmeter (J/m²) oder Erg pro Quadratzentimeter (erg/cm²). Die Schaffung einer neuen Oberfläche erfordert Arbeit gegen intermolekulare Kräfte. Numerisch identisch mit der Oberflächenspannung, stellt aber die Energieperspektive anstelle der Kraftperspektive dar.

Formel: γ = E/A, wobei E = Energie, A = Oberflächenvergrößerung

Beispiel: Wasser bei 20°C = 72.8 mJ/m² = 72.8 mN/m (gleiche Zahl, doppelte Interpretation)

Intermolekulare Kräfte bestimmen das Oberflächenverhalten

Kohäsion: Anziehung zwischen gleichartigen Molekülen (Flüssigkeit-Flüssigkeit). Adhäsion: Anziehung zwischen ungleichartigen Molekülen (Flüssigkeit-Festkörper). Hohe Kohäsion → hohe Oberflächenspannung → Tropfen bilden Perlen. Hohe Adhäsion → Flüssigkeit breitet sich aus (Benetzung). Das Gleichgewicht bestimmt den Kontaktwinkel und die Kapillarwirkung.

Kontaktwinkel θ: cos θ = (γ_SV - γ_SL) / γ_LV (Young'sche Gleichung)

Beispiel: Wasser auf Glas hat einen niedrigen θ (Adhäsion > Kohäsion) → breitet sich aus. Quecksilber auf Glas hat einen hohen θ (Kohäsion >> Adhäsion) → bildet Perlen.

Erste quantitative Experimente zur Oberflächenspannung

Der deutsche Physiker Segner untersuchte schwimmende Nadeln und beobachtete, dass sich Wasseroberflächen wie gespannte Membranen verhalten. Er berechnete die Kräfte, verfügte aber über keine molekulare Theorie, um das Phänomen zu erklären.

Young'sche Gleichung für den Kontaktwinkel

Der britische Universalgelehrte Young leitete die Beziehung zwischen Oberflächenspannung, Kontaktwinkel und Benetzung her: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. Diese fundamentale Gleichung wird heute noch in der Materialwissenschaft und Mikrofluidik verwendet.

Young-Laplace-Gleichung für den Druck

Laplace leitete ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂) her und zeigte, dass gekrümmte Grenzflächen Druckunterschiede aufweisen. Dies erklärt, warum kleine Blasen einen höheren Innendruck haben als große – entscheidend für das Verständnis der Lungenphysiologie und der Emulsionsstabilität.

Molekulare Theorie der Oberflächenspannung

Der niederländische Physiker van der Waals erklärte die Oberflächenspannung anhand intermolekularer Kräfte. Seine Arbeit über molekulare Anziehung brachte ihm 1910 den Nobelpreis ein und legte den Grundstein für das Verständnis von Kapillarität, Adhäsion und dem kritischen Punkt.

Monoschichten und Oberflächenchemie

Langmuir untersuchte molekulare Filme auf Wasseroberflächen und begründete damit das Gebiet der Oberflächenchemie. Seine Arbeit über Tenside, Adsorption und molekulare Ausrichtung brachte ihm 1932 den Nobelpreis ein. Die Langmuir-Blodgett-Filme sind nach ihm benannt.

Die Oberflächenspannung bestimmt Benetzung, Ausbreitung und Adhäsion:

• Farbformulierung: γ auf 25-35 mN/m einstellen für optimale Ausbreitung auf Substraten
• Tintenstrahldruck: Tinte muss γ < Substrat haben für Benetzung (typisch 25-40 mN/m)
• Koronabehandlung: Erhöht die Oberflächenenergie von Polymeren von 30 → 50+ mN/m für Adhäsion
• Pulverbeschichtungen: Niedrige Oberflächenspannung hilft bei der Verlaufsegalisierung und Glanzentwicklung
• Anti-Graffiti-Beschichtungen: Niedriges γ (15-20 mN/m) verhindert die Farbhaftung
• Qualitätskontrolle: du-Noüy-Ring-Tensiometer für Chargen-zu-Chargen-Konsistenz

Reinigungsmittel wirken durch die Verringerung der Oberflächenspannung:

• Reines Wasser: γ = 72.8 mN/m (dringt nicht gut in Stoffe ein)
• Wasser + Seife: γ = 25-30 mN/m (dringt ein, benetzt, entfernt Öl)
• Kritische Mizellbildungskonzentration (CMC): γ fällt stark bis zur CMC, dann Plateau
• Netzmittel: Industriereiniger reduzieren γ auf <30 mN/m
• Geschirrspülmittel: Formuliert auf γ ≈ 27-30 mN/m zur Fettentfernung
• Pestizidsprühgeräte: Fügen Tenside hinzu, um γ für eine bessere Blattabdeckung zu reduzieren

Die Grenzflächenspannung zwischen Öl und Wasser beeinflusst die Förderung:

• Öl-Wasser-Grenzflächenspannung: Typischerweise 20-50 mN/m
• Verbesserte Ölgewinnung (EOR): Injizieren von Tensiden, um γ auf <0.01 mN/m zu reduzieren
• Niedriges γ → Öltröpfchen emulgieren → fließen durch poröses Gestein → erhöhte Ausbeute
• Charakterisierung von Rohöl: Aromatengehalt beeinflusst die Oberflächenspannung
• Pipeline-Fluss: Niedrigeres γ reduziert die Emulsionsstabilität, hilft bei der Trennung
• Pendant-Drop-Methode misst γ bei Reservoir-Temperatur/-Druck

Oberflächenspannung ist entscheidend für Lebensprozesse:

• Lungensurfactant: Reduziert alveoläres γ von 70 auf 25 mN/m, verhindert Kollaps
• Frühgeborene: Atemnotsyndrom aufgrund unzureichenden Surfactants
• Zellmembranen: Lipid-Doppelschicht γ ≈ 0.1-2 mN/m (sehr niedrig für Flexibilität)
• Blutplasma: γ ≈ 50-60 mN/m, erhöht bei Krankheiten (Diabetes, Atherosklerose)
• Tränenfilm: Mehrschichtige Struktur mit Lipidschicht, die die Verdunstung reduziert
• Insektenatmung: Das Tracheensystem verlässt sich auf die Oberflächenspannung, um das Eindringen von Wasser zu verhindern

Wasserläufer (Gerridae) nutzen die hohe Oberflächenspannung des Wassers (72.8 mN/m), um das 15-fache ihres Körpergewichts zu tragen. Ihre Beine sind mit wachsartigen Haaren bedeckt, die superhydrophob sind (Kontaktwinkel >150°). Jedes Bein erzeugt eine Delle in der Wasseroberfläche, und die Oberflächenspannung sorgt für die Auftriebskraft. Wenn man Seife hinzufügt (wodurch γ auf 30 mN/m sinkt), gehen sie sofort unter!

Die Oberflächenspannung wirkt, um die Oberfläche für ein gegebenes Volumen zu minimieren. Die Kugel hat die minimale Oberfläche für jedes Volumen (isoperimetrische Ungleichung). Seifenblasen demonstrieren dies wunderbar: Die Luft im Inneren drückt nach außen, die Oberflächenspannung zieht nach innen, und das Gleichgewicht erzeugt eine perfekte Kugel. Nicht-sphärische Blasen (wie kubische in Drahtrahmen) haben eine höhere Energie und sind instabil.

Die Lungen von Neugeborenen enthalten pulmonalen Surfactant (Phospholipide + Proteine), der die alveoläre Oberflächenspannung von 70 auf 25 mN/m reduziert. Ohne ihn kollabieren die Alveolen beim Ausatmen (Atelektase). Frühgeborene haben nicht genügend Surfactant, was zum Atemnotsyndrom (RDS) führt. Vor der Therapie mit synthetischem Surfactant (1990er Jahre) war RDS eine der Haupttodesursachen bei Neugeborenen. Heute liegen die Überlebensraten bei über 95 %.

Gießen Sie Wein in ein Glas und beobachten Sie: an den Seiten bilden sich Tröpfchen, klettern nach oben und fallen wieder hinunter – die 'Tränen des Weins'. Dies ist der Marangoni-Effekt: Alkohol verdunstet schneller als Wasser und erzeugt Gradienten der Oberflächenspannung (γ variiert räumlich). Flüssigkeit fließt von Bereichen mit niedrigem γ zu Bereichen mit hohem γ und zieht den Wein nach oben. Wenn die Tröpfchen schwer genug werden, gewinnt die Schwerkraft und sie fallen. Marangoni-Strömungen sind entscheidend beim Schweißen, Beschichten und Kristallwachstum.

Seifenmoleküle sind amphiphil: hydrophober Schwanz (hasst Wasser) + hydrophiler Kopf (liebt Wasser). In Lösung ragen die Schwänze aus der Wasseroberfläche heraus, stören die Wasserstoffbrückenbindungen und reduzieren γ von 72 auf 25-30 mN/m. Bei der Kritischen Mizellbildungskonzentration (CMC) bilden die Moleküle kugelförmige Mizellen mit den Schwänzen nach innen (fangen Öl ein) und den Köpfen nach außen. Deshalb entfernt Seife Fett: Öl wird in den Mizellen gelöst und weggewaschen.

Lassen Sie einen Kampferkristall auf Wasser fallen und er saust wie ein winziges Boot über die Oberfläche. Kampfer löst sich asymmetrisch auf und erzeugt einen Gradienten der Oberflächenspannung (höheres γ hinten, niedrigeres vorne). Die Oberfläche zieht den Kristall in Richtung der Bereiche mit hohem γ – ein Oberflächenspannungsmotor! Dies wurde 1890 vom Physiker C.V. Boys demonstriert. Moderne Chemiker nutzen einen ähnlichen Marangoni-Antrieb für Mikroroboter und Medikamenten-Lieferfahrzeuge.

Dies ist eine fundamentale thermodynamische Beziehung, kein Zufall. Dimensional: [N/m] = (kg·m/s²)/m = kg/s² und [J/m²] = (kg·m²/s²)/m² = kg/s². Sie haben identische Basisdimensionen! Physikalisch: Die Schaffung von 1 m² neuer Oberfläche erfordert Arbeit = Kraft × Weg = (γ N/m) × (1 m) × (1 m) = γ J. Also ist γ, gemessen als Kraft/Länge, gleich γ, gemessen als Energie/Fläche. Wasser bei 20°C: 72.8 mN/m = 72.8 mJ/m² (gleiche Zahl, doppelte Interpretation).

Kohäsion: Anziehung zwischen gleichartigen Molekülen (Wasser-Wasser). Adhäsion: Anziehung zwischen ungleichartigen Molekülen (Wasser-Glas). Hohe Kohäsion → hohe Oberflächenspannung → Tropfen bilden Perlen (Quecksilber auf Glas). Hohe Adhäsion im Verhältnis zur Kohäsion → Flüssigkeit breitet sich aus (Wasser auf sauberem Glas). Das Gleichgewicht bestimmt den Kontaktwinkel θ über die Young'sche Gleichung: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. Benetzung tritt auf, wenn θ < 90°; Perlenbildung, wenn θ > 90°. Superhydrophobe Oberflächen (Lotusblatt) haben θ > 150°.

Seifenmoleküle sind amphiphil: hydrophober Schwanz + hydrophiler Kopf. An der Wasser-Luft-Grenzfläche orientieren sich die Schwänze nach außen (vermeiden Wasser) und die Köpfe nach innen (werden von Wasser angezogen). Dies stört die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Wassermolekülen an der Oberfläche und reduziert die Oberflächenspannung von 72.8 auf 25-30 mN/m. Ein niedrigeres γ ermöglicht es dem Wasser, Stoffe zu benetzen und in Fett einzudringen. Bei der Kritischen Mizellbildungskonzentration (CMC, typischerweise 0.1-1%) bilden die Moleküle Mizellen, die Öl lösen.

Eine höhere Temperatur verleiht den Molekülen mehr kinetische Energie, was die intermolekularen Anziehungskräfte (Wasserstoffbrückenbindungen, van-der-Waals-Kräfte) schwächt. Oberflächenmoleküle haben einen geringeren nach innen gerichteten Nettozug → niedrigere Oberflächenspannung. Für Wasser: γ nimmt um ~0.15 mN/m pro °C ab. Bei der kritischen Temperatur (374°C für Wasser, 647 K) verschwindet der Unterschied zwischen Flüssigkeit und Gas und γ → 0. Die Eötvös-Regel quantifiziert dies: γ·V^(2/3) = k(T_c - T), wobei V = Molvolumen, T_c = kritische Temperatur.

Vier Hauptmethoden: (1) du-Noüy-Ring: Ein Platinring wird von der Oberfläche gezogen, die Kraft wird gemessen (am häufigsten, ±0.1 mN/m). (2) Wilhelmy-Platte: Eine dünne Platte hängt an der Oberfläche, die Kraft wird kontinuierlich gemessen (höchste Präzision, ±0.01 mN/m). (3) Pendant Drop: Die Form eines hängenden Tropfens wird optisch mit der Young-Laplace-Gleichung analysiert (funktioniert bei hohen T/P). (4) Kapillarsteighöhe: Flüssigkeit steigt in einer engen Röhre auf, die Höhe wird gemessen: γ = ρghr/(2cosθ), wobei ρ = Dichte, h = Höhe, r = Radius, θ = Kontaktwinkel.

ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂) beschreibt den Druckunterschied über eine gekrümmte Grenzfläche. R₁ und R₂ sind die Hauptkrümmungsradien. Für eine Kugel (Blase, Tropfen): ΔP = 2γ/R. Kleine Blasen haben einen höheren Innendruck als große. Beispiel: Ein 1-mm-Wassertropfen hat ΔP = 2×0.0728/0.0005 = 291 Pa (0.003 atm). Dies erklärt, warum kleine Blasen in Schaum schrumpfen (Gas diffundiert von kleinen zu großen) und warum Lungenalveolen Surfactant benötigen (reduziert γ, damit sie nicht kollabieren).

Quecksilber: Starke Kohäsion (metallische Bindungen, γ = 486 mN/m) >> schwache Adhäsion an Glas → Kontaktwinkel θ ≈ 140° → bildet Perlen. Wasser: Mäßige Kohäsion (Wasserstoffbrückenbindungen, γ = 72.8 mN/m) < starke Adhäsion an Glas (Wasserstoffbrückenbindungen mit Oberflächen-OH-Gruppen) → θ ≈ 0-20° → breitet sich aus. Young'sche Gleichung: cos θ = (γ_Festkörper-Dampf - γ_Festkörper-Flüssigkeit)/γ_Flüssigkeit-Dampf. Wenn Adhäsion > Kohäsion, ist cos θ > 0, also θ < 90° (Benetzung).

Nein. Die Oberflächenspannung ist immer positiv – sie repräsentiert die Energiekosten zur Schaffung einer neuen Oberfläche. Ein negatives γ würde bedeuten, dass sich Oberflächen spontan ausdehnen, was die Thermodynamik verletzen würde (Entropie nimmt zu, aber die Bulk-Phase ist stabiler). Die Grenzflächenspannung zwischen zwei Flüssigkeiten kann jedoch sehr niedrig sein (nahe Null): Bei der verbesserten Ölgewinnung reduzieren Tenside die Öl-Wasser-γ auf <0.01 mN/m, was zu einer spontanen Emulgierung führt. Am kritischen Punkt ist γ = 0 exakt (der Unterschied zwischen Flüssigkeit und Gas verschwindet).