Nennen Sie 5 Phänomene/Sachverhalte der Textil- und Gerbereichemie, bei denen Grenzflächenphänomene eine Rolle spielen. Geben Sie in 1-2 Anstrichen eine Erläuterung dazu ab.
Funktion von Waschmitteln
Herstellung von Gelen (Salben, Ton, Klebstoffformulierungen)
Mikroemulsionen (Kosmetik, Duftstoffe, tertiäre Erdölförderung, Textilausrüstung
Eigenschaften von Farbstoffen, Lacken, Klebstoffen
Verarbeitungseigenschaften von Druck- und Beschichtungspasten
Textiloberflächen (Medienabweisung, Griff, Fülle, Antistatik)
- Selektive Stofftrennprozesse (Aufbereitung von Erzen, Mineralien und Wertstoffen)
Geben Sie eine Definition fürs eine Phase und den Begriff Phasengrenze. Was sind in diesem Zusammenhang heterogene und homogene Systeme?
Eine Phase ist ein Stoff (reine Phase) oder eine Mischung mehrerer Stoffe (Mischphase) mit räumlich konstanten Eigenschaften. Die Flächen, an denen sich Eigenschaften unstetig ändern, stellen die Phasengrenze dar
homogene (einphasige) Systeme
heterogene (mehrphasige) Systeme
Wie können Sie folgende Stoffe und Stoffzusammensetzungen charakterisieren?
a) Eiswürfel in Wasser
b) Polyurethan gelöst in DMF
c) Zuckerlösung
e) PVC-Beschichtungspaste (PVC-Platisol)
Suspension
d) Quecksilber
Reinstoff (Element)
f) wässrige Acrylatdispersion
g) Salzlösung
Lösung (Feststoff in Flüssigkeit)
h) Fettemulsion
Emulsion
Was sind Emulsionen und Dispersionen und wie lassen sich diese herstellen?
Dispersion = ein heterogenes Gemisch aus mindestens zwei Stoffen, die sich nicht oder kaum ineinander lösen oder chemisch miteinander verbinden
Emulsion = ein fein verteiltes Gemisch zweier normalerweise nicht mischbarer Flüssigkeiten ohne sichtbare Entmischung
Benennen Sie vier Grenzflächenkombinationen und benennen Sie zugehörige Grenzflächenerscheinungen bzw. Phänomene.
Was versteht man unter intensiven und extensiven Zustandsgrößen und geben Sie jeweils drei Beispiele an?
Unter einer extensiven Größe versteht man eine Zustandsgröße, welche sich mit der Größe des betrachteten Systems ändert. Das bedeutet also extensive Größen sind proportional zur Stoffmenge (bzw. Masse).
- Masse m
- Volumen V
- Teilchenanzahl N
Eine intensive Größe hingegen ist eine Zustandsgröße, welche sich nicht mit der Größe des betrachteten Systems ändert. Intensive Größen sind also nicht proportional zur Stoffmenge (bzw. Masse).
- Druck P
- Temperatur T
- Dichte p
Ordnen Sie folgende Objekte/Bausteine in folgende Größentabelle: Atome, Zuckermolekül, Polymermoleküle
(A), Mikrofasern (Durchmesser)
(B), Wolle (Durchmesser)
(C), Viren
(D), Kolloide (z.B. Mizellen)
(E), Farbstoffpulver für Pigmentfärbungen
(F), Wassermolekül
(G), PESFaser 10 tex (Durchmesser; (Dichte PES 1,38 g/cm3))
(I), Stecknadelkopf (Durchmesser)
(K) < 1 nm < 100nm < 1 µm < 10 µm < 100 µm< 1 mm
Wie lässt sich die Grenzflächen zwischen zwei Phasen definieren und was muss von Werkstoffseite besonders beachtet werden? Welche Abhängigkeit ist bei Verkleinerung der Objektgröße zu beobachten?
Erklären Sie in diesen Zusammenhang dem Begriff spezifische Grenzfläche?
-> Die Berührungsfläche zweier nicht mischbarer Phasen wird als Grenzfläche bezeichnet. Der Typ der Grenzflächen ergibt sich aus der Kombination der Aggregatzustände (fest, flüssig, gasförmig) der angrenzenden Phasen.
Wie erfolgt die Adsorption von Gasen und welche Einteilung lässt sich vornehmen?
-> erfolgt durch Wechselwirkung der Gasmoleküle mit den Atomen der Oberfläche
Physisorption Dipol-Dipol-Wechselwirkungen Spezialfall Wasserstoffbrückenbindung Van der Waal-Wechselwirkungen ionische Wechselwirkungen
Chemisorption Reaktion zwischen Gasmolekül und funktionellen Gruppen oder Atomen der Festkörperoberfläche
Was versteht man unter Chemisorption und Physiosorption?
Physisorption und Chemisorption sind zwei Arten der Adsorption, bei denen Moleküle an einer Oberfläche gebunden werden. Der Hauptunterschied zwischen Physisorption und Chemisorption liegt in der Art der Wechselwirkungen und der Stärke der Bindung zwischen den adsorbierten Molekülen und der Oberfläche:
Physisorption:
Physisorption bezieht sich auf die Adsorption, bei der die Wechselwirkungskräfte zwischen den adsorbierten Molekülen und der Oberfläche vorwiegend auf schwachen Van-der-Waals-Kräften beruhen.
Die Bindungsenergien sind vergleichsweise gering.
Die Adsorption ist reversibel, d.h. die adsorbierten Moleküle können leicht desorbiert (freigesetzt) werden.
Physisorbierte Moleküle sind in der Regel nur schwach an die Oberfläche gebunden und können sich frei bewegen.
Chemisorption:
Chemisorption bezieht sich auf die Adsorption, bei der starke chemische Bindungen zwischen den adsorbierten Molekülen und der Oberfläche gebildet werden.
Die Bindungsenergien sind hoch.
Die Adsorption ist in der Regel irreversibel, da die chemischen Bindungen eine hohe Energie benötigen, um aufgebrochen zu werden.
Chemisorbierte Moleküle sind fest an die Oberfläche gebunden und haben eine begrenzte Bewegungsfreiheit.
-> Zusammenfassend kann man sagen, dass Physisorption schwache, reversible Wechselwirkungen zwischen Molekülen und Oberfläche beinhaltet, während Chemisorption starke, irreversible chemische Bindungen zwischen Molekülen und Oberfläche aufweist.
Was lässt sich aus folgender Darstellung zur Wechselwirkung von Wasserstoff mit einer Oberfläche ablesen?
-> Potentialverlauf eines sich der Oberfläche nähernden Wasserstoffmoleküls
- Chemisorption: Bindung zwischen Adsorbat und Adsorbens ist stärker als bei Physisorption
- Chemische Veränderung von Adsorbat und/oder Adsorbens
- Chemisorption nicht immer reversibel, erfordert Aktivierungsenergie und höhere Temperaturen
- Bindungsenergien etwa zehnmal höher als bei Physisorption (ca. 8 eV/Atom)
- Chemische Bindung führt zur Spaltung von Bindungen und Bildung neuer Bindungen
- Chemische Änderungen erhöhen Reaktionsfähigkeit der Adsorbatmoleküle
- Übergang zwischen Physisorption und Chemisorption ist fließend
- Adsorptionsstärke hängt von Oberflächenstruktur des Adsorbens ab (Terassen, Ecken, Stufen)
Belegen Sie folgende Abbildung zur Apsorption von Gasmolekülen mit den Grundbegriffen der Adsorption!
Durch welche thermodynamischen Gleichungen werden die auch die Phasenwechselwirkungen beschrieben?
Die Änderungen welcher thermodynamischen Zustandsgrößen werden darin beschrieben und welche Grenzflächenparameter nehmen auf diese Zustandsgrößen Einfluss?
Gibbssche Fundamentalgleichungen
innere Energie
Enthalpie
freie Energie
Einfluss durch: Grenzfläche (A), Grenzflächenspannung delta, Stoffmenge n, chemische Potential mü, Entropie
Treffen Sie 5 Aussagen zur Kinetik der Adsorption von Gasmolekülen an einem Festkörper.
Die Haftwahrscheinlichkeit wird durch mehrere Faktoren beeinflusst.
1. Wenn zur Adsorption eine Aktivierungsenergie aufgebracht werden muss, werden nur Teilchen adsorbiert, die über mindestens diese Aktivierungsenergie verfügen.
2. Auch aus sterischen Gründen kann die Adsorption nicht stattfinden.
3. Die kinetische Energie des adsorbierten Teilchens, wird zusammen mit der Bindungsenergie als Adsorptionswärme abgegeben. Wenn diese nicht schnell abgeführt wird, kommt es sofort wieder zur Desorption.
4. Bei realen heterogenen Oberflächen ist die Haftwahrscheinlichkeit je nach Adsorptionsstelle unterschiedlich groß.
5. Besonders bei der Chemisorption muss auf der Oberfläche ausreichend Platz für das zu adsorbierende Teilchen sein. Bei der Physisorption ist dies aufgrund der möglichen mehrmolekularen Adsorption nicht zwingend nötig
Treffen sie zu folgenden 5 Abbildungen verschiedener Absorptionsisothermen jeweils mindestens eine erläuternde bzw. zutreffende Aussage:
„Untersuchung der Molekülanlagerung in Abhängigkeit vom Druck bei konstanter Temperatur“
der Beginn bei Typ III und V weist auf schwache Wechselwirkungen hin
Typ I nennt man Langmuir-Isothermen → nur begrenzte Aufnahmefähigkeit z.B. eine monomolekulare Bedeckung oder kleine Poren, die aufgefüllt werden
Typ II Kurven nach monomolekularer Schicht erfolgt Aufbau von weiteren Schicht(en)
Wie sieht eine Langmuir Isotherme aus und welchen Sachverhalt beschreibt sie?
-> Die Adsorption führt höchstens zu einer Monolage adsorbierter Teilchen. Die Adsorptionsenthalpie ist für alle Adsorptionsplätze gleich und hängt nicht vom Bedeckungsgrad ab. Zwischen den adsorbierten Teilchen bestehen keine Wechselwirkungen. Die Wahrscheinlichkeit, mit der ein Teilchen adsorbiert oder wieder desorbiert wird, hängt nicht davon ab, ob die benachbarten Adsorptionsplätze besetzt sind oder nicht.
Welche Grenzfälle der Wechselwirkung von Flüssigkeiten und Festkörper gibt es?
Welches einfache System kann zu deren Beschreibung angewendet werden?
Welche Möglichkeiten gibt es, Oberflächenspannungen zu ermitteln?
Nennen Sie grundsätzliche Versuchsaufbauten und die der Oberflächenspannung proportionalen Messgrößen.
Platten-Methode nach Wilhelmy
Pendant-Drop-Methode
Hängender Tropfen
Tropfen-Volumen-Methode
Von welchen Größen ist die Steighöhe einer Flüssigkeit in einem Rohr abhängig (im übertragenen Sinne trifft das auch auf die Saugfähigkeit von Textilien zu).
Geben sie an, ob direkte oder indirekte Proportionalität vorliegt. Beispiel: wenn die Größe X steigt fällt die Steighöhe h
σ = Oberflächenspannung der Fl. (J/m² oder N/m)
θ = Kontaktwinkel
ρ = Dichte der Flüssigkeit (kg/m 3 )
g = Beschleunigung durch die Schwerkraft (m/s²)
r = Radius der Röhre (m) (oder Fläche A bei Textil?)
Beispiel: Für eine wassergefüllte Glasröhre, die gegen die Luft auf Meereshöhe offen ist, σ = 0,0728 J/m² (N/m) bei 20 °C θ = 20° = 0,35 rad ρ = 1000 kg/m 3 g = 9,8 m/s² ergibt sich für die Steighöhe:
für eine breite Röhre mit r = 1 m
eine Steighöhe um nicht merkliche 0,014 mm.
Kapillare mit r = 1 cm
Steighöhe 1,4 mm
Kapillare mit r = 0,1 mm
Steighöhe 14 cm
-> je größer der Radius der Röhre, desto kleiner ist die Steighöhe
Mikroemulsionen (Kosmetik, Duftstoffe, tertiäre Erdölförderung, Textilausrüstung)
Selektive Stofftrennprozesse (Aufbereitung von Erzen, Mineralien und Wertstoffen)
Wie sind Tensidmoleküle aufgebaut und welche Tensidklassen gibt es?
Hydrophile Baugruppe + Hydrophobe Baugruppe
Nennen Sie charakteristische Eigenschaften von Tensiden und zu welchen Aggregaten können sich Tenside zusammenlagern?
Charakteristische Eigenschaften:
Erniedrigung der Oberflächenspannung
orientierte Adsorption an Grenzfläche
Bildungen von Mizellen, Vesikeln, flüssigkristallinen Phasen
Aggregate genauer:
Was passiert, wenn man zu einer Mischung von Wasser und Öl Tensid zugibt?
Was ändert sich, wenn das Mischungsverhältnis einmal 1:100 und im 2. Versuch 100:1 ist?
-> Enstehung einer Wasser-in-Öl-Emulsion oder einer Öl-in-Wasser-Emulsion (O/W-Emulsion)
Wirkung Tenside:
Durch Tenside, die häufig auch als Emulgatoren bezeichnet werden, lassen sich die Grenzflächenspannungen drastisch senken. Das Tensid soll verhindern, dass die neu entstandenen Tröpfchen wieder koaleszieren (= zusammenfließen). Dazu muss er möglichst schnell an die neue Grenzfläche diffundieren. Synthetische Tenside schaffen dies in einigen Millisekunden. Große Tensidmoleküle, die noch dazu die Viskosität deutlich erhöhen (z.B. Stärke) benötigen einige Minuten bis zu einer halben Stunde, um den neuen Tropfen vollständig zu umhüllen. Eine höhere Viskosität hat jedoch auch einen stabilisierenden Einfluss, da die Bewegung der Tröpfchen und somit die Möglichkeit einer Koaleszenz erschwert wird.
Bis Verhältnis 3:7 -> Phaseninversion
Struktur einer Emulsion
In einer Emulsion liegt ein fein verteiltes Gemisch zweier Flüssigkeiten wie Öl und Wasser vor. Die eine Flüssigkeit (Phase) liegt dabei in kleinen Tröpfchen verteilt in der anderen Flüssigkeit vor.
Die Phase, die Tröpfchen bildet, nennt man innere Phase oder auch disperse Phase.
Die Phase, in der die Tröpfchen "schwimmen", wird äußere Phase oder auch kontinuierliche Phase genannt
Beschreiben Sie die Veränderungen, die eintreten werden, wenn die Konzentration des Tensids in einer wässrigen Lösung langsam erhöht wird (mit Zeichnung ergänzen).
Beschreiben Sie die Ablösung von Pigmentschmutz von einer textilen Oberfläche.
Die hydrophilen Köpfe richten sich wieder ins umgebende Wasser aus. Die hydrophoben, lipophile Enden, lagern sich an Fett - oder Schmutzpartikel an und schließen diese ins Innere der Mizelle ein. Dabei drängen sich die Tenside regelrecht zwischen die zu reinigende Oberfläche (Pfanne, Textilfaser, Haut) und den Schmutz und schließen diesen ein. Da die Mizellen-Außenseite von hydrophilen Köpfen gebildet wird, verteilen sich die umhüllten Schmutzpartikel im Wasser und können weggespült werden.
Das Tensid wirkt dabei als Dispergiermittel.
Erläutern Sie das Prinzip der Flotation bei der Separierung von kleinen Erzkörnern (mit Zeichnung).
Bei der Schaumflotation werden die Ausgangsmaterialien fein gemahlen und in Wasser suspendiert. Kollektor-Tenside hydrophobisieren selektiv die wertvollen Mineralpartikel. Diese haften dann an eingebrachten Luftblasen und werden zur Oberfläche getragen. Dort bildet sich ein Schaum der abfliesst und so die Mineralpartikel extrahiert.
Erklären Sie die Bildung von Schäumen (mit Zeichnung).
Die Tenside lagern sich an der Grenzfläche zwischen Wasser und Luft an. Sie senken so die Grenzflächenspannung. Die Grenzflächenspannung bezeichnet man im Fall einer Fläche zwischen Flüssigkeit und Gasphase als Oberflächenspannung.
Die Tenside können sich in der Regel in Wasser "lösen", indem sie sich zusammenballen und kleine Kugeln bilden. Die hydrophoben Enden zeigen zum Mittelpunkt. Es bilden sich sogenannte Mizellen. Damit stehen Tenside "in Reserve" zur Verfügung, um bei einer Vergrößerung der Grenzflächen die neue Fläche mit Molekülen zu besetzen.
Mit Tensiden kann sich leichter ein Wasserfilm mit zwei Oberflächenschichten bilden. Der Film liegt z.B. bei einer Seifenblase vor. Die hydrophilen Enden ragen auch hier in die wässrige Phase.
Die Herabsetzung der Oberflächenspannung der wässrigen Phase durch Anlagerung von Tensiden an der Grenzfläche Wasser/Luft hat zur Folge, dass durch Aufschlagen, Einblasen oder ähnliche Methoden Luft in eine solche Lösung eingebracht werden kann und die so erzeugten Luftbläschen partiell durch die Ausbildung einer Oberflächenschicht stabilisiert werden können ohne schnell zu koaleszieren.
Schaum ist mithin eine Dispersion von Luft in einer tensidhaltigen Lösung, wobei ein dreidimensionales Netzwerk flüssiger Lamellen als kontinuierliche Phase die Luft einschließt und so Polyeder bildet. Daher nennt man solchen Schaum auch Polyederschaum.
Was beschreibt die “Netzzeit”?
Diese Eigenschaft, auch Netzvermögen genannt, kann als Richtwert für die Adsorptionskinetik eines Tensids an einer Grenzfläche angesehen werden. Die aufgeführte Netzzeit beschreibt die Dauer, welche eine Tensidlösung zur Benetzung eines standardisierten Baumwollrondells bei Raumtemperatur braucht. Hydrophil eingestufte Tenside verfügen unter den erwähnten Testbedingungen über eine besseres Netzvermögen, also über eine kürzere Netzzeit. Bei Überschreiten des Trübungspunktes nimmt das Netzvermögen stark ab, die Dauer zur Benetzung der Baumwollrondelle damit stark zu.
In der Textilveredlung spielen die Netzzeiten eine wichtige Rolle. Welche Abhängigkeiten würden Sie untersuchen, um optimale Netzmittel herauszufinden?
Zunahme der Netzmittelwirkung mit steigender Anzahl der Kohlenstoffatome
Zusammenhang zwischen Netzmittelwirkung und Alkylkettenlänge
(Hydrophil eingestufte Tenside haben kürzere Netzzeziten)
Was sind HLB-Werte und wie können diese bestimmt werden?
= Hydrophile-lipophile-Balance
In welche Anwendungsbereiche werden die Tenside mit steigenden HLB-Werten unterteilt?
Was ist die kritische Mizellbildungskonzentration und geben Sie zwei Eigenschaften an, die die Bestimmung der kritischen Mizellbildungskonzentration erlauben?
Die Kritische Mizellbildungskonzentration CMC (engl. critical micelle concentration) ist die Tensidkonzentration, bei der die Mizellbildung einsetzt.
Sie kann für eine Tensidlösung ermittelt werden, indem bei verschiedenen Konzentrationen die Oberflächenspannung gemessen wird.
Zwei EIgenschaften
osmotischer Druck p
Oberflächenspannung
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