Theory of Surface Phenomena - Cheatsheet

Definition und Bedeutung der Oberflächenspannung

Definition:

Oberflächenspannung ist die Kraft, die auf der Oberfläche einer Flüssigkeit wirkt und dazu führt, dass diese sich wie eine gespannte Membran verhält.

Details:

• Einheit: \sigma (N/m)
• Entsteht durch Kohäsionskräfte zwischen Molekülen an der Oberfläche
• Formel: \sigma = \frac{F}{L}, wobei F die Kraft und L die Länge der Berührungsfläche ist
• Oft beobachtbare Effekte: Tropfenbildung, Kapillarwirkung
• Wichtige Rolle in biologischen Prozessen und technologischen Anwendungen

Wilhelmy-Plattenmethode und Pendant Drop Verfahren

Definition:

Methoden zur Messung der Ober-/Grenzflächenspannung von Flüssigkeiten.

Details:

• Wilhelmy-Plattenmethode: Eine dünne, senkrecht aufgehängte Platte wird in die Flüssigkeit eingetaucht; die Kraft, die auf die Platte wirkt, wird gemessen und zur Berechnung der Oberflächenspannung verwendet.
• Pendant Drop Verfahren: Bestimmung der Oberflächenspannung durch Analyse der Tropfengeometrie eines Flüssigkeitstropfens, der in einem Fluidmedium hängt.
• Wilhelmy-Plattenmethode Formel: \[ \gamma = \frac{F}{L} \ , \gamma: \text{Oberflächenspannung}, F: \text{Kraft}, L: \text{Benetzte Länge der Platte} \]
• Pendant Drop Formel: \[ \gamma = \Delta \rho \cdot g \cdot R_0 \cdot \beta \ , \Delta \rho: \text{Dichtedifferenz}, g: \text{Erdbeschleunigung}, R_0: \text{Krümmungsradius an der Tropfenspitze}, \beta: \text{Formparameter} \]
• Vorteil Wilhelmy: Auch für viskose Flüssigkeiten geeignet.
• Nachteil Wilhelmy: Benetzungsprobleme und Verfälschung durch Verunreinigungen.
• Vorteil Pendant Drop: Genaue Messung ohne direkten Kontakt.
• Nachteil Pendant Drop: Aufwendigere mathematische Auswertung.

Einfluss von Temperatur und Verunreinigungen auf die Oberflächenspannung

Definition:

Einfluss von Temperatur und Verunreinigungen auf die Oberflächenspannung wird oft in Bezug auf die Oberflächenspannung von Flüssigkeiten diskutiert - wichtiges Thema in der Pharmazie, Biochemie und Ingenieurwesen.

Details:

• Primäre Abhängigkeit: Temperatur, Verunreinigungen
• \gamma(T) = \gamma_0 - bT (Lineare Abhängigkeit von Temperatur)
• Oberflächenspannung \(\gamma\) nimmt mit steigender Temperatur \(T\) ab
• Verunreinigungen: können entweder die Oberflächenspannung erhöhen oder senken
• Hydrophobe Verunreinigungen: führen oft zu einer Erhöhung der Oberflächenspannung
• Hydrophile Verunreinigungen: führen meist zu einer Erniedrigung der Oberflächenspannung

Langmuir- und Freundlich-Isothermen

Definition:

Langmuir- und Freundlich-Isothermen beschreiben die Adsorption von Molekülen an Oberflächen in Abhängigkeit vom Druck oder der Konzentration bei konstanter Temperatur.

Details:

• Langmuir-Isotherme: Beschreibt die Monolagenadsorption auf homogene Oberflächen.
• Freundlich-Isotherme: Beschreibt die mehrschichtige Adsorption auf heterogenen Oberflächen.
• Langmuir-Gleichung: \[ q = \frac{q_m K p}{1 + K p} \], wobei \( q \) die Adsorptionsmenge, \( q_m \) die maximale Adsorptionsmenge, \( K \) die Langmuir-Konstante und \( p \) der Druck ist.
• Freundlich-Gleichung: \[ q = K_f p^{1/n} \], wobei \( q \) das Adsorptionsvermögen, \( K_f \) die Freundlich-Konstante und \( n \) ein exponentieller Parameter ist.

Kinetik und Thermodynamik der Adsorption

Definition:

Untersuchung der Geschwindigkeiten und Gleichgewichtszustände bei der Adsorption von Molekülen auf Oberflächen.

Details:

• Häufig verwendete Modelle: Langmuir, Freundlich
• Langmuir-Isotherme: \[ q_e = \frac{q_m K_L C_e}{1 + K_L C_e} \], $q_e$: adsorbierte Menge, $C_e$: Konzentration im Gleichgewicht, $q_m$: max. Kapazität, $K_L$: Langmuir-Konstante
• Freundlich-Isotherme: \[ q_e = K_F C_e^{1/n} \], $K_F$: Freundlich-Konstante, $n$: Heterogenitätsfaktor
• Kinetik: Pseudo-erste-Ordnung (Lagergren) und Pseudo-zweite-Ordnung
• Arrhenius-Gleichung zur Bestimmung der Aktivierungsenergie: \[ k = A e^{-\frac{E_a}{RT}} \], $k$: Geschwindigkeitskonstante, $A$: Präexponentieller Faktor, $E_a$: Aktivierungsenergie, $R$: Gaskonstante, $T$: Temperatur
• Gibbs'sche Energieänderung für Adsorption: \[ \Delta G = \Delta H - T \Delta S \], $\Delta G$: Gibbs-Energie, $\Delta H$: Enthalpie, $\Delta S$: Entropie, $T$: Temperatur

Grundlagen der Heterogenen Katalyse

Definition:

Katalyse an Grenzflächen zwischen verschiedenen Phasen (typisch fest-fluid)

Details:

• Aktive Zentren: Stellen auf Katalysatoroberfläche, wo Reaktion stattfindet
• Reaktionsmechanismus: Adsorption, Oberflächenreaktion, Desorption
• Sabatier-Prinzip: optimale Wechselwirkung zwischen Katalysator und Reaktanten
• Langmuir-Hinshelwood-Mechanismus: gleichzeitige Adsorption beider Reaktanten
• Eley-Rideal-Mechanismus: ein Reaktant adsorbiert, der andere reagiert direkt aus Gasphase
• Beschränkt durch Diffusion, Katalysatordesaktivierung, und Reaktantenkonzentration

Techniken der chemischen Modifikation, z.B. Silanisierung

Definition:

Chemische Methoden zur Veränderung von Oberflächeneigenschaften; Silanisierung: Aufbringen einer Silanschicht auf eine Oberfläche.

Details:

• Silanisierung: Reaktion von Silanen (\texttt{R-SiX3}) mit Oberflächenhydroxylgruppen.
• Verbesserung der Adhäsion, Hydrophobizität oder anderer Oberflächeneigenschaften.
• Typische Reaktionsbedingungen: Feuchtigkeit, Temperatur, Katalysator.
• Anwendungen: Beschichtung von Glas, Silizium, Metallen, Polymeroberflächen.
• Beispiele für Silane: \texttt{(3-Aminopropyl)triethoxysilan}, \texttt{(3-Glycidyloxypropyl)trimethoxysilan}.

Charakterisierung modifizierter Oberflächen mittels spektroskopischer und mikroskopischer Methoden

Definition:

Charakterisierung modifizierter Oberflächen durch Analyse der physikalischen und chemischen Eigenschaften mittels spezialisierter Techniken.

Details:

• Spektroskopische Methoden:
• Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS): Bestimmung der chemischen Zusammensetzung und Bindungszustände.
• Infrarotspektroskopie (IR): Untersuchung von Oberflächenmolekülen und deren Wechselwirkungen.
• Raman-Spektroskopie: Analyse von Phononenmoden und chemischen Strukturierungen.
• Ultraviolett-Photoelektronenspektroskopie (UPS): Elektronische Zustände und Arbeitseigenschaften.
• Mikroskopische Methoden:
• Rasterelektronenmikroskopie (REM): Strukturanalyse mit hoher Auflösung.
• Rasterkraftmikroskopie (AFM): Topographie und Oberflächenkräfte.
• Rastertunnelmikroskopie (STM): Abbildung atomarer Strukturen und elektronischer Zustände.
• Auger-Elektronenspektroskopie (AES): Oberflächenzusammensetzung und Konzentrationsprofile.