Phasen und Phasengrenzschichten

 

Was wir beobachten, ist nicht die Natur selbst,

sondern Natur, die unserer Art der Fragestellung ausgesetzt ist.

[Werner Karl Heisenberg (1901-1976), Physiker und Nobelpreisträger]

 

In einem System mehrerer nicht miteinander mischbarer Flüssigkeiten heissen die einzelnen Bereiche Phasen. Vermischt man Öl mit Wasser, so lässt sich beim Stehenlassen die Ausbildung von zwei Phasen beobachten: Die Ölphase schwimmt mit einer gut erkennbaren Grenze auf der Wasserphase und bildet mit der Luft eine Oberfläche. Die Grenze zwischen zwei Phasen bezeichnet man als Phasengrenzfläche. Das kann ein Brunnen sein:

 

Abbildung 27: Wasser fliesst von einer Röhre durch die Luft in einen Brunnen

1. Phasengrenzfläche: Zwischen Wasser und der Luft (flüssig/gasförmig, l/g)

2. Phasengrenzfläche: Zwischen Wasser und der Röhre (flüssig/fest, l/s)

3. Phasengrenzfläche: Zwischen Röhre und der Luft (fest/gasförmig, s/g)

Weitere Möglichkeiten: fest/fest, flüssig/flüssig

 

 

Wenn eine Fläche Schicht heissen sollte

 

Eine Oberfläche oder Grenzfläche ist im molekularen Bereich eigentlich keine Fläche, sondern eine Schicht[1]^,[2],[3]. Folgedessen muss man bei diesen Grenzschichten von neuen Phasen sprechen (Glasoberflächen quellen, Oxidationsschichten sind meist porös, geladene Schichten sind mit Gegenionen angereichert...) – genau genommen sind es somit Phasengrenzschichten. Selbst bei einem Metall wie Alumninium ist die Aluminiumoxidschicht porös. Sie hat so viele Poren, dass sich Farbstoffe in diese Hohlräume einlagern lassen.

Ist die eine Phase ein Gas, so spricht man trotzdem von Oberfläche statt von Grenz­schicht der angrenzenden oder festen Phase. Vielleicht hat das seinen Grund darin, dass die Gase auf Oberflächen meist monomolekulare Schichten bilden.

 

In einer Grenzschicht stehen die Moleküle unter anderen Bedin­gungen als im Innern der Phase; es treten deshalb viele, z. T. sehr verwickelte Grenz­flächen-Er­schei­nungen auf, die häufig anhand mono­molekularer oder dünner Schichten beschrieben werden. In Gegenwart von elektrischen Ladungsträgern kann sich an der Grenze eine elektrochemische Doppelschicht ausbilden, an der sich ein Zeta-Potential aufbaut, was z. B. für die Stabilität von Emulsionen und Dispersionen wichtig ist. Die Konzentration in einer Lösung wird durch verschiedene Prozesse inhomogen, weil sich gewisse Substanzen in der Grenzschicht an- respektive abreichern[4].

 

Sogar Stähle sind porös und nehmen Substanzen in ihre Grenzschicht auf.

 

Reibungsstelle   Radius des Stahls: 6 mm	Kohlenstoff C   Je heller, desto grössere Konzentration	Eisen Fe links: Eisenoxid + Eisenphosphat   rechts: Eisenoxy­hydroxid	Sauerstoff O links: Eisenoxy­hydroxid + Eisenphosphat   rechts: Eisenoxy­hydroxid	Phosphor P links: Eisenphosphat   rechts: absorbiertes organisches Phosphat

Abbildung 29[5]^,[6]: XPS – Bild von einem Reib-Test auf 100Cr6 Stahl mit Phoshorsäureester als Schmiermittel, (x-ray photoelectron spectroscopy)

 

Grenzflächen-Erscheinungen wie Adsorption, Oberflächen- und Grenzflächen­spannung, Kapillarität usw. sind nicht nur in theoretisch interessant, sondern beschreiben allgemein in der Technik bedeutsame Phänomene.

 

 

Wie rauh kann eine Oberfläche höchstens sein?

 

Eine Oberfläche eines Kristalls hat im Idealfall die Struktur des Gitters. Somit kann die Ober­flächenrauhigkeit nie kleiner sein, als die Gitterstruktur vorgibt. Am Beispiel von einem Ausschnitt aus einem Quarzkristall mit seiner Oberfläche, soll diese Aussage veran­schaulicht werden.

 

Die Oberfläche des Quarzes (SiO₂) ist hier mit einem Sauerstoffatom abgeschlossen. Die Oberflächenstruktur ist durch die Bindungs­längen und die Bindungswinkel vorgegeben. Somit hat Quarz selbst eine definierte, minimale Rauhigkeit, in welche sich meist andere Moleküle der Umgebung, vor allem Wasser einlagern kann.

 

Die Quarzoberfläche erinnert sehr stark an geometrische Figuren, die sich mit rekursiven, immer gleichen Operationen bilden lassen. Somit könnte man sich die Frage stellen, ob die Rauhigkeit nicht mit solchen Modellen anschaulich gemacht werden könnte.

 

 

Wie fein sind rauhe Oberflächen?

 

Tabelle 5: Oberflächenrauhigkeits- Muster rekursiv hergestellt

	Anzahl Operationen	Länge	Anzahl Ecken (Bsp. Si-Atome in Quarz)
	n = 0	1 (Annahme)	0
	n = 1	1 x 4/3	3
	n = 2	1·4/3·4/3 (4/3)2	15
	n = 3	1·4/3·4/3·4/3 (4/3)3	60
	n = ¥	(4/3)n	¥ (chemisch sinnlos)

 

Folgerung:

Ganz spannend können geometrisch auf einer endlichen Strecke unendlich viele Ecken sein. Chemisch ist das nicht möglich, da nicht mehr Ecken denkbar sind, als Atome auf dieser Strecke vorhanden sind. Somit gibt es in der Natur eine obere Grenze, welche durch die Länge der Bindungen begrenzt ist.

 

Beispiel:

Gehen wir von einer Kante mit 1 mm = 10^-3 m Länge aus und nehmen wir an, dass die Bindungslänge zwischen 2 Atomen 0.1 nm = 10^-10 m (1 nm = 10^-9 m) betrage. Auf 1 mm haben somit 10⁷ Atome Platz. Um diese 10 Millionen Atome als Ecken zu bilden, sind mit dem obigen Verfahren:

 

(4/3)ⁿ = 10⁷;

n = log(10⁷)/log(4/3) = 56 Schritte sind notwendig.

 

Polieren:

Würde man nach der 2. Operation die grosse Spitze in der Mitte entfernen und durch ein Dreieck (wie auf beiden Seiten) ersetzen, so würde die Seitenlänge um einen Faktor 4/3 kleiner. Die höchste Spitze der Oberfläche würde um 2/3 niedriger, das heisst die Oberflächenrauhigkeit würde wesentlich kleiner. Die Anzahl der Ecken würde sich von 15 auf 3 verringern. Geht man davon aus, dass die Ecken Orte erhöhter Reaktivität sind, dann nimmt die Reaktivität ab, wenn die Oberfläche "glatter" wird, eine Feststellung, die in der Praxis immer wieder bestätigt werden kann: Polierte Teile rosten weniger rasch und sind chemisch weniger aktiv.

 

Makromoleküle zeigen in dieser Beziehung ein etwas anderes Verhalten. Sie können die meisten Bindungen sättigen, wenn man von den Besonderheiten absieht, wie sie für Polyethylenglycol oder PVC  schon dargestellt worden sind.