Kracht die langs een lijn op het vloeistofoppervlak werkt

Gemeten in newton per meter (N/m) of dyne per centimeter (dyn/cm). Als u zich een frame voorstelt met een beweegbare zijde die in contact staat met een vloeistoffilm, is de oppervlaktespanning de kracht die aan die zijde trekt, gedeeld door de lengte ervan. Dit is de mechanische definitie.

Formule: γ = F/L waarbij F = kracht, L = lengte van de rand

Voorbeeld: Water @ 20°C = 72.8 mN/m betekent 0.0728 N kracht per meter rand

Energie die nodig is om nieuw oppervlak te creëren

Gemeten in joule per vierkante meter (J/m²) of erg per vierkante centimeter (erg/cm²). Het creëren van nieuw oppervlak vereist arbeid tegen intermoleculaire krachten. Numeriek identiek aan oppervlaktespanning, maar vertegenwoordigt het energieperspectief in plaats van het krachtperspectief.

Formule: γ = E/A waarbij E = energie, A = toename van het oppervlak

Voorbeeld: Water @ 20°C = 72.8 mJ/m² = 72.8 mN/m (hetzelfde getal, dubbele interpretatie)

Intermoleculaire krachten bepalen het gedrag van het oppervlak

Cohesie: aantrekking tussen gelijke moleculen (vloeistof-vloeistof). Adhesie: aantrekking tussen verschillende moleculen (vloeistof-vaste stof). Hoge cohesie → hoge oppervlaktespanning → druppels vormen parels. Hoge adhesie → vloeistof verspreidt zich (bevochtiging). Het evenwicht bepaalt de contacthoek en de capillaire werking.

Contacthoek θ: cos θ = (γ_SV - γ_SL) / γ_LV (vergelijking van Young)

Voorbeeld: Water op glas heeft een lage θ (adhesie > cohesie) → verspreidt zich. Kwik op glas heeft een hoge θ (cohesie >> adhesie) → vormt parels.

Eerste kwantitatieve experimenten met oppervlaktespanning

De Duitse natuurkundige Segner bestudeerde drijvende naalden en observeerde dat wateroppervlakken zich gedragen als gespannen membranen. Hij berekende krachten maar miste een moleculaire theorie om het fenomeen te verklaren.

Vergelijking van Young voor de contacthoek

De Britse polymath Young leidde de relatie af tussen oppervlaktespanning, contacthoek en bevochtiging: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. Deze fundamentele vergelijking wordt vandaag de dag nog steeds gebruikt in de materiaalkunde en microfluïdica.

Vergelijking van Young-Laplace voor druk

Laplace leidde ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂) af, wat aantoont dat gekromde grensvlakken drukverschillen hebben. Dit verklaart waarom kleine bellen een hogere interne druk hebben dan grote – cruciaal voor het begrijpen van de longfysiologie en de stabiliteit van emulsies.

Moleculaire theorie van oppervlaktespanning

De Nederlandse natuurkundige van der Waals verklaarde oppervlaktespanning met behulp van intermoleculaire krachten. Zijn werk over moleculaire aantrekking leverde hem in 1910 de Nobelprijs op en legde de basis voor het begrip van capillariteit, adhesie en het kritieke punt.

Monolagen en oppervlaktechemie

Langmuir bestudeerde moleculaire films op wateroppervlakken, waarmee hij het veld van de oppervlaktechemie creëerde. Zijn werk over oppervlakteactieve stoffen, adsorptie en moleculaire oriëntatie leverde hem in 1932 de Nobelprijs op. De Langmuir-Blodgett-films zijn naar hem vernoemd.

Oppervlaktespanning bepaalt bevochtiging, spreiding en adhesie:

• Verfformulering: Pas γ aan tot 25-35 mN/m voor optimale spreiding op substraten
• Inkjetprinten: Inkt moet γ < substraat hebben voor bevochtiging (typisch 25-40 mN/m)
• Coronabehandeling: Verhoogt de oppervlakte-energie van polymeer van 30 → 50+ mN/m voor adhesie
• Poedercoatings: Lage oppervlaktespanning helpt bij het egaliseren en de glansontwikkeling
• Anti-graffiti coatings: Lage γ (15-20 mN/m) voorkomt verfhechting
• Kwaliteitscontrole: du Noüy-ring tensiometer voor batch-tot-batch consistentie

Wasmiddelen werken door de oppervlaktespanning te verlagen:

• Zuiver water: γ = 72.8 mN/m (dringt niet goed door in stoffen)
• Water + zeep: γ = 25-30 mN/m (dringt door, bevochtigt, verwijdert olie)
• Kritische Micelconcentratie (CMC): γ daalt scherp tot de CMC, en vlakt dan af
• Bevochtigingsmiddelen: Industriële reinigers verlagen γ tot <30 mN/m
• Afwasmiddel: Geformuleerd voor γ ≈ 27-30 mN/m voor vetverwijdering
• Pesticidenspuiten: Voeg oppervlakteactieve stoffen toe om γ te verlagen voor een betere bladdekking

Interfaciale spanning tussen olie en water beïnvloedt de extractie:

• Olie-water interfaciale spanning: Typisch 20-50 mN/m
• Verbeterde oliewinning (EOR): Injecteer oppervlakteactieve stoffen om γ te verlagen tot <0.01 mN/m
• Lage γ → oliedruppels emulgeren → stromen door poreus gesteente → verhoogde winning
• Karakterisering van ruwe olie: Aromatisch gehalte beïnvloedt de oppervlaktespanning
• Pijpleidingstroming: Lagere γ vermindert de emulsiestabiliteit, helpt bij de scheiding
• De hangende druppel-methode meet γ bij de temperatuur/druk van het reservoir

Oppervlaktespanning is cruciaal voor levensprocessen:

• Longsurfactant: Verlaagt de alveolaire γ van 70 naar 25 mN/m, wat inklappen voorkomt
• Premature baby's: Respiratory Distress Syndrome door onvoldoende surfactant
• Celmembranen: Lipide dubbellaag γ ≈ 0.1-2 mN/m (zeer laag voor flexibiliteit)
• Bloedplasma: γ ≈ 50-60 mN/m, verhoogd bij ziekten (diabetes, atherosclerose)
• Traanfilm: Meerlaagse structuur met een lipidenlaag die verdamping vermindert
• Insectenademhaling: Het tracheale systeem is afhankelijk van oppervlaktespanning om waterinname te voorkomen

Waterlopers (Gerridae) maken gebruik van de hoge oppervlaktespanning van water (72.8 mN/m) om 15 keer hun lichaamsgewicht te dragen. Hun poten zijn bedekt met wasachtige haartjes die superhydrofoob zijn (contacthoek >150°). Elke poot creëert een deukje in het wateroppervlak, en de oppervlaktespanning zorgt voor de opwaartse kracht. Als je zeep toevoegt (wat γ verlaagt tot 30 mN/m), zinken ze onmiddellijk!

Oppervlaktespanning werkt om het oppervlak voor een bepaald volume te minimaliseren. De bol heeft het minimale oppervlak voor elk volume (isoperimetrische ongelijkheid). Zeepbellen demonstreren dit prachtig: de lucht binnenin duwt naar buiten, de oppervlaktespanning trekt naar binnen, en het evenwicht creëert een perfecte bol. Niet-bolvormige bellen (zoals kubusvormige in draadframes) hebben een hogere energie en zijn onstabiel.

De longen van pasgeborenen bevatten longsurfactant (fosfolipiden + eiwitten) die de alveolaire oppervlaktespanning verlaagt van 70 naar 25 mN/m. Zonder dit klappen de longblaasjes in tijdens het uitademen (atelectase). Premature baby's hebben onvoldoende surfactant, wat Respiratory Distress Syndrome (RDS) veroorzaakt. Vóór de therapie met synthetische surfactant (jaren 90) was RDS een belangrijke oorzaak van neonatale sterfte. Nu overschrijden de overlevingskansen 95%.

Schenk wijn in een glas en kijk: er vormen zich druppels aan de zijkanten, die omhoog klimmen en weer naar beneden vallen—de 'tranen van wijn'. Dit is het Marangoni-effect: alcohol verdampt sneller dan water, wat gradiënten in de oppervlaktespanning creëert (γ varieert ruimtelijk). Vloeistof stroomt van gebieden met een lage γ naar gebieden met een hoge γ, waardoor de wijn omhoog wordt getrokken. Wanneer de druppels zwaar genoeg worden, wint de zwaartekracht en vallen ze. Marangoni-stromen zijn cruciaal bij lassen, coaten en kristalgroei.

Zeepmoleculen zijn amfifiel: een hydrofobe staart (haat water) + een hydrofiele kop (houdt van water). In oplossing steken de staarten uit het wateroppervlak, wat de waterstofbruggen verstoort en γ verlaagt van 72 naar 25-30 mN/m. Bij de Kritische Micelconcentratie (CMC) vormen de moleculen bolvormige micellen met de staarten naar binnen (die olie vangen) en de koppen naar buiten. Daarom verwijdert zeep vet: de olie wordt opgelost in de micellen en weggespoeld.

Laat een kamferkristal op water vallen en het schiet over het oppervlak als een klein bootje. Kamfer lost asymmetrisch op, wat een gradiënt in de oppervlaktespanning creëert (hogere γ achter, lagere voor). Het oppervlak trekt het kristal naar de gebieden met hoge γ—een oppervlaktespanningsmotor! Dit werd in 1890 gedemonstreerd door de natuurkundige C.V. Boys. Moderne chemici gebruiken vergelijkbare Marangoni-aandrijving voor microrobots en medicijnafgiftevoertuigen.

Dit is een fundamentele thermodynamische relatie, geen toeval. Dimensionaal: [N/m] = (kg·m/s²)/m = kg/s² en [J/m²] = (kg·m²/s²)/m² = kg/s². Ze hebben identieke basisdimensies! Fysisch: het creëren van 1 m² nieuw oppervlak vereist arbeid = kracht × afstand = (γ N/m) × (1 m) × (1 m) = γ J. Dus γ gemeten als kracht/lengte is gelijk aan γ gemeten als energie/oppervlakte. Water @ 20°C: 72.8 mN/m = 72.8 mJ/m² (hetzelfde getal, dubbele interpretatie).

Cohesie: aantrekking tussen gelijke moleculen (water-water). Adhesie: aantrekking tussen verschillende moleculen (water-glas). Hoge cohesie → hoge oppervlaktespanning → druppels vormen parels (kwik op glas). Hoge adhesie ten opzichte van cohesie → vloeistof verspreidt zich (water op schoon glas). Het evenwicht bepaalt de contacthoek θ via de vergelijking van Young: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. Bevochtiging treedt op wanneer θ < 90°; parelvorming wanneer θ > 90°. Superhydrofobe oppervlakken (lotusblad) hebben θ > 150°.

Zeepmoleculen zijn amfifiel: een hydrofobe staart + een hydrofiele kop. Aan het water-lucht grensvlak oriënteren de staarten zich naar buiten (water vermijdend), en de koppen naar binnen (aangetrokken tot water). Dit verstoort de waterstofbruggen tussen de watermoleculen aan het oppervlak, waardoor de oppervlaktespanning daalt van 72.8 naar 25-30 mN/m. Een lagere γ stelt water in staat stoffen te bevochtigen en vet binnen te dringen. Bij de Kritische Micelconcentratie (CMC, doorgaans 0.1-1%) vormen de moleculen micellen die olie oplossen.

Een hogere temperatuur geeft moleculen meer kinetische energie, wat de intermoleculaire aantrekkingen (waterstofbruggen, van der Waals-krachten) verzwakt. Oppervlaktemoleculen hebben een kleinere netto aantrekking naar binnen → lagere oppervlaktespanning. Voor water: γ neemt af met ~0.15 mN/m per °C. Bij de kritieke temperatuur (374°C voor water, 647 K) verdwijnt het onderscheid tussen vloeistof en gas en γ → 0. De regel van Eötvös kwantificeert dit: γ·V^(2/3) = k(T_c - T) waarbij V = molair volume, T_c = kritieke temperatuur.

Vier hoofdmethoden: (1) du Noüy-ring: Een platina ring wordt van het oppervlak getrokken, de kracht wordt gemeten (meest voorkomend, ±0.1 mN/m). (2) Wilhelmy-plaat: Een dunne plaat hangt aan het oppervlak, de kracht wordt continu gemeten (hoogste precisie, ±0.01 mN/m). (3) Hangende druppel: De vorm van de druppel wordt optisch geanalyseerd met behulp van de Young-Laplace vergelijking (werkt bij hoge T/P). (4) Capillaire stijging: Vloeistof stijgt in een smalle buis, de hoogte wordt gemeten: γ = ρghr/(2cosθ) waarbij ρ = dichtheid, h = hoogte, r = straal, θ = contacthoek.

ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂) beschrijft het drukverschil over een gekromd grensvlak. R₁ en R₂ zijn de belangrijkste kromtestralen. Voor een bol (bel, druppel): ΔP = 2γ/R. Kleine bellen hebben een hogere interne druk dan grote. Voorbeeld: een waterdruppel van 1 mm heeft een ΔP = 2×0.0728/0.0005 = 291 Pa (0.003 atm). Dit verklaart waarom kleine bellen in schuim krimpen (gas diffundeert van klein naar groot) en waarom longblaasjes surfactant nodig hebben (verlaagt γ zodat ze niet instorten).

Kwik: Sterke cohesie (metaalbindingen, γ = 486 mN/m) >> zwakke adhesie aan glas → contacthoek θ ≈ 140° → vormt parels. Water: Matige cohesie (waterstofbruggen, γ = 72.8 mN/m) < sterke adhesie aan glas (waterstofbruggen met oppervlakte -OH-groepen) → θ ≈ 0-20° → verspreidt zich. Vergelijking van Young: cos θ = (γ_vaste stof-damp - γ_vaste stof-vloeistof)/γ_vloeistof-damp. Wanneer adhesie > cohesie, is cos θ > 0, dus θ < 90° (bevochtiging).

Nee. Oppervlaktespanning is altijd positief—het vertegenwoordigt de energiekosten om nieuw oppervlak te creëren. Een negatieve γ zou betekenen dat oppervlakken spontaan zouden uitzetten, wat de thermodynamica zou schenden (entropie neemt toe, maar de bulkfase is stabieler). De interfaciale spanning tussen twee vloeistoffen kan echter zeer laag zijn (bijna nul): bij verbeterde oliewinning verlagen oppervlakteactieve stoffen de olie-water γ tot <0.01 mN/m, wat spontane emulgering veroorzaakt. Op het kritieke punt is γ = 0 exact (het onderscheid tussen vloeistof en gas verdwijnt).