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Monomolekulare Filme

Grenzflächenaktivität

Im allgemeinen ist die Oberflächenspannung einer Lösung verschieden von der jeder einzelnen reinen Komponente und hängt von der Konzentration des gelösten Stoffes ab.

Grenzflächeninaktivität
Stoffe, die sich in der Grenzfläche anreichern, werden als kapillar- oder grenzflächenaktiv bezeichnet. Sie setzen die Grenzflächenspannung herab. Stoffe, die sich aus der Grenzfläche zurückziehen, nennt man kapillar- oder grenzflächeninaktiv. Diese Substanzen erhöhen die Grenzflächenspannung.

In wässriger Lösung erweisen sich die meisten organischen Stoffe als grenzflächenaktiv, anorganische Salze und Zucker als grenzflächeninaktiv. Salze halten sich gerne im inneren des Volumens auf, da sie hier vollständig hydratisiert werden. Soll ein Ion direkt in die Grenzfläche gebracht werden, so ist eine beträchtliche Energie aufzubringen, um die Hydrathülle teilweise abzustreifen. Die Ionen verbleiben daher im Volumen der Lösung und die Grenzfläche besteht hauptsächlich aus Wassermolekülen.

Substanzen, die schon in geringen Konzentrationen sehr stark grenzflächenaktiv sind, werden als Tenside bezeichnet. Zu ihnen zählen die höheren Fettsäuren, Seifen, Ester und langkettigen Alkohole. Der Grund für die starke Anreicherung der Tensidmoleküle in der Grenzfläche zwischen zwei Phasen liegt in ihrer chemischen Struktur. Tenside sind amphiphile Substanzen, d.h. sie sind aus einer hydrophilen (polaren) Kopfgruppe und einem hydrophoben (unpolaren) Rest aufgebaut. Die hydrophilen Köpfe sind oft Hydroxy-Gruppen oder Amino-Gruppen, die hydrophoben Reste sind meistens Kohlenwasserstoffreste oder Perfluorkohlenwasserstoffreste.

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Abb.1
Schematische Darstellung der „Kopf-Schwanz” -Struktur eines Tensids aus einer hydrophilen (polaren) Kopfgruppe und einem hydrophoben (unpolaren) Rest

Ab einem bestimmten Verhältnis zwischen hydrophilem Kopf und hydrophobem Rest reicht der Energiegewinn durch die Hydratation der Kopfgruppe nicht mehr aus, um den hydrophoben Teil in einer polaren Umgebung zu halten. Die Moleküle ordnen sich daher in der Grenzfläche zwischen zwei Phasen an. An einer Wasser/Luft-Grenzfläche verbleibt der hydrophile Kopf aufgrund der starken Wechselwirkung der hydrophilen Kopfgruppe mit den Wassermolekülen in der Wasserphase. Der energetisch ungünstige Kontakt zwischen dem hydrophoben Rest und dem Wasser wird vermieden, indem der hydrophobe Schwanz in die weniger polare Phase gerichtet ist. Dies kann sowohl eine Gasphase als auch eine unpolare Flüssigkeit sein. Der hydrophobe Rest verhindert, dass die Substanz in der polaren Phase gelöst wird.

Bei steigender Konzentration der Tensidmoleküle steigt die Grenzflächenkonzentration bis zur vollständigen Belegung der Grenzfläche. Darüber hinaus können keine Tensidmoleküle in die Grenzschicht eingebaut werden, und die Gibbssche Adsorptionsisotherme verliert ihre Gültigkeit.

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