Oppervlaktespanning

Oppervlaktespanning is het natuurkundig verschijnsel dat het oppervlak van een vloeistof aan een vloeistof-gasovergang zich gedraagt als een veerkrachtige laag. Vanderwaalskrachten tussen moleculen in de vloeistoffase veroorzaken deze oppervlaktespanning. Losse druppels worden zo veel mogelijk bolvormig. De oppervlaktespanning van water wordt verder verhoogd doordat watermoleculen onderling waterstofbruggen vormen. Schaatsenrijders (een insectensoort) en lichte voorwerpen zinken niet dankzij de oppervlaktespanning van het water.

schematische voorstelling van de krachten op vloeistofmoleculen. In het midden van de vloeistof zijn ze in alle richtingen gelijk; aan het grensvlak tussen vloeistof en gas is er een nettokracht naar de vloeistof gericht.

Verschil in vorm door hoge en lage oppervlaktespanning: druppels van kwik (A), water (B) en water met zeep (C) op een vast oppervlak

Voor moleculen aan het oppervlak van de vloeistof is de netto vanderwaalskracht gericht naar de vloeistof toe. Binnen de vloeistof zijn de onderlinge vanderwaalskrachten tussen de moleculen in alle richtingen even groot, waardoor de resulterende kracht op ieder individueel molecuul binnen de vloeistof gelijkstaat aan nul.

Het symbool voor oppervlaktespanning is γ (gamma) of σ (sigma) en de SI-eenheid is newton per meter, N m⁻¹. In oudere werken vindt men nog wel dyne per centimeter (geen SI-eenheid).

Oppervlakteactieve stoffen zijn stoffen die de oppervlaktespanning van een vloeistof verlagen als ze erin gemengd worden. Voorbeelden zijn zeep en glansspoelmiddel in water.^[1]

Bepaalde insecten maken gebruik van deze spanning om over het wateroppervlak te lopen. Indien afwasmiddel in het water wordt gemengd, verdrinkt dit insect. Verlaging van de oppervlaktespanning maakt het ook mogelijk een zeepbel te blazen die enige tijd kan blijven bestaan.

Grensvlakenergie

De schaatsenrijder wordt gedragen door de oppervlaktespanning van het water. De ronde schaduwen zijn van de kuiltjes in het wateroppervlak onder de poten.

Door de oppervlaktespanning van het water stroomt het water niet over de rand van bloemblaadjes heen de bloem in, en dus zinkt de bloem niet.

Tussen twee verschillende fasen heerst er steeds een drukverschil. De grootte van dit drukverschil kan berekend worden aan de hand van de grensvlakenergie, een breder begrip dat de oppervlaktespanning omvat. Merk op dat de dimensie van oppervlaktespanning, kracht per eenheid lengte, ook kan geschreven worden als energie per eenheid oppervlakte.

De overdruk in een champagnebelletje in een glas wijn, bijvoorbeeld, kan als volgt berekend worden: $\Delta P={2\gamma \over {r}}$ , waarbij r de straal van het belletje is.

Formules

Formules voor het berekenen van de oppervlaktespanning. Hieronder is de wet van Laplace te zien. ^[2]

Eén grensvlak : $\Delta P={2\gamma \over {r}}$

Twee grensvlakken : $\Delta P={4\gamma \over {r}}$

Eén grensvlak (voorbeeld: druppel)
Twee grensvlakken (voorbeeld: zeepbel)

$\Delta p=\ \gamma \left({\frac {1}{R_{x}}}+{\frac {1}{R_{y}}}\right)$

$\Delta p=\ 2\gamma r\pi \cos(x)$

Oppervlaktespanning van enkele vloeistoffen

Verloop van de oppervlaktespanning van water als functie van de temperatuur

De oppervlaktespanning is afhankelijk van de temperatuur. In het algemeen daalt ze als de temperatuur stijgt. Bij het kritisch punt van verdamping, waar het grensvlak tussen damp en vloeistof verdwijnt, is ze gelijk aan nul.

Wanneer men de oppervlaktespanning van een stof geeft, moet men er dus steeds bij vermelden voor welke temperatuur die geldt. In deze tabel zijn waarden bij 20 °C gegeven, tenzij anders vermeld:

Vloeistof	Oppervlaktespanning in 10⁻³ N/m
ethanol	22,55
methanol	22,60
aceton	23,30
benzeen	28,90
glycerol	63,4
water bij 80 °C	62,6
water bij 50 °C	67,9
water bij 20 °C	72,75
kwik bij 18 °C	471,00
kwik bij 20 °C	476,00

Zie ook

Referenties

↑ Rosen M, Kunjappu J.Surfactants and Interfacial Phenomena, Hoboken, John Wiley & Sons, 4e editie, 2012, p. 1. ISBN 1-118-22902-9.
↑ Oppervlaktespanning lezing 1, John W. M. Bush, MIT

Zie de categorie Surface tension van Wikimedia Commons voor mediabestanden over dit onderwerp.

[1] Rosen M, Kunjappu J.Surfactants and Interfacial Phenomena, Hoboken, John Wiley & Sons, 4e editie, 2012, p. 1. ISBN 1-118-22902-9.

[2] Oppervlaktespanning lezing 1, John W. M. Bush, MIT

[1]

[2]