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Als Grenzfläche oder Phasengrenze wird in der Physik und Materialwissenschaft die Fläche zwischen zwei Phasen bezeichnet
Grenzfläche
Als Grenzfläche oder Phasengrenze wird in der Physik und Materialwissenschaft die Fläche zwischen zwei Phasen bezeichnet, beispielsweise die Fläche zwischen zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten wie Öl und Wasser.
Als Grenzflächen im engeren Sinn werden nur die folgenden Flächen bezeichnet:
- zwischen flüssigen und flüssigen Phasen
- zwischen flüssigen und festen Phasen
- zwischen festen und festen Phasen,
während die Fläche
- zwischen festen und gasförmigen Phasen
- zwischen flüssigen und gasförmigen Phasen
meist als Oberfläche (Feststoffoberfläche) bezeichnet wird.
Die Unterscheidung zwischen Grenz- und Oberflächen ist historisch bedingt und teilweise willkürlich. Dass auch der dritte oben angesprochene Fall (Grenzflächen innerhalb eines Festkörpers) Bedeutung hat, zeigen die zahlreichen Diskontinuitäten in der Erdkruste und im Erdmantel.
Mit den Eigenschaften von Grenzflächen im weiteren Sinne beschäftigen sich die Oberflächenchemie und Oberflächenphysik.
Grenz- und Oberfläche
Eine Oberfläche lässt sich weniger klar definieren, als man annehmen könnte. Die geometrische Definition als Gesamtheit der Flächen, die einen Körper von außen begrenzen, wird ab dem mikroskopischen Bereich problematisch. Die „Oberflächenatome“ sind keine scharf begrenzten Kugeln und zwischen ihnen können Lücken vorliegen, die um vieles größer sein können, als die Atome selbst. Die Größe einer „Grenz- oder Oberfläche“ ist skalenabhängig, also vom verwendeten Beobachtungsmaßstab abhängig.
Daher ist auch eine Unterscheidung von äußerer und innerer Oberfläche bei allen porösen Materialien gegeben: Diese bilden „von außen“ betrachtet einen kompakten Körper, sind aber von zahlreichen Hohlräumen erfüllt. Für zahlreiche physikalische und chemische Vorgänge sind diese innenliegenden Oberflächen aber genauso relevant wie die äußere Oberfläche. Dabei übersteigt die innere Oberfläche die äußere oft um viele Größenordnungen.
An der Grenzfläche zwischen Gasen und Festkörpern kommen Temperatursprünge zustande, wenn Gas und Festkörper verschiedene Temperaturen besitzen.
Typische Beispiele sind:
- auf der Erde insbesondere die Erdoberfläche bzw. der Wasserspiegel von Meer und Gewässern
- bei Sternen die Photosphäre
- die freie Oberfläche einer Flüssigkeit unter Gasdruck
- in der Technik die zu bearbeitende Oberfläche eines Werkstücks, als Gestaltabweichung vom idealen Körper in der Oberflächenangabe vermerkt
- eine dünne Schicht auf einem Objekt, siehe auch Oberflächenveredelung (Beschichtung)
- die Messgröße für Pulver, Haufwerke und Ähnliches, die spezifische Oberfläche als gesamtvolumen- oder massenbezogene Oberfläche
- Körperoberfläche des Menschen, Abschätzungsformeln für eine skalenabhängige Größe
Grundlagen
Innerhalb einer Phase wechselwirken Atome bzw. Moleküle in alle Raumrichtungen mit Atomen bzw. Molekülen in ihrer Nachbarschaft. Hier wirken in alle Richtungen gleiche Wechselwirkungskräfte (Kohäsionen). In der Nähe der Grenzfläche ist dies nicht der Fall. An der Grenzfläche stehen in Richtung der Nachbarphase unter Umständen keine oder nur ganz andere Nachbarn für eine Wechselwirkung zur Verfügung. Für Atome bzw. Moleküle ist es in der Regel energetisch ungünstig, sich in der Nähe der Grenzfläche aufzuhalten. Daraus resultiert eine Grenzflächenspannung, im Fall flüssig-gasförmig die Oberflächenspannung.
- Grenzflächenaktive Substanzen, wie die Tenside (Emulgatoren), verringern die Grenzflächenspannung und können die Durchmischung zweier Phasen zu einer Emulsion oder Dispersion fördern.
- An Grenzflächen zwischen festen und gasförmigen Phasen kommt es in der Regel zu einer Adsorption von Stoffen aus der Gasphase. Dieses Phänomen wird in vielen technischen Prozessen genutzt und spielt eine Rolle bei der heterogenen Katalyse.
- An der Phasengrenze zwischen einem Elektronenleiter (Feststoff) und einem Elektrolyten (Flüssigkeit) bildet sich eine elektrochemische Doppelschicht aus. Diese Doppelschicht ist ein wichtiges Phänomen der Elektrochemie.
Phasengrenze im Phasendiagramm
Die Phasengrenze wird im Phasendiagramm eines Stoffes durch die Phasengrenzlinie in Abhängigkeit von Temperatur und kinetischem Druck dargestellt. Dieses Verhalten ist eine für den Stoff typische Eigenschaft.
Siehe auch
- Gaspermeabilitätsmethode
Weblinks
- Grenzfläche im Lexikon der Physik auf spektrum.de
- Eintrag zu Grenzflächen. In: Römpp Online. Georg Thieme Verlag, abgerufen am 16. Dezember 2019.
Einzelnachweise
- J. T. Davies: Stabile Kontaktpotentiale an der Grenzfläche Öl-Wasser. In: Zeitschrift für Elektrochemie und angewandte physikalische Chemie. Band 55, Nr. 6, 1951, S. 559–560, doi:10.1002/bbpc.19510550618 (wiley.com).
- Wolfgang H. Binder: Supramolekulare Anordung von Nanopartikeln an Flüssig-flüssig-Grenzflächen. In: Angewandte Chemie. Band 117, Nr. 33, 2005, S. 5300–5304, doi:10.1002/ange.200501220.
Autor: www.NiNa.Az
Veröffentlichungsdatum:
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Als Grenzflache oder Phasengrenze wird in der Physik und Materialwissenschaft die Flache zwischen zwei Phasen bezeichnet beispielsweise die Flache zwischen zwei nicht mischbaren Flussigkeiten wie Ol und Wasser Als Grenzflachen im engeren Sinn werden nur die folgenden Flachen bezeichnet zwischen flussigen und flussigen Phasen zwischen flussigen und festen Phasen zwischen festen und festen Phasen wahrend die Flache zwischen festen und gasformigen Phasen zwischen flussigen und gasformigen Phasen meist als Oberflache Feststoffoberflache bezeichnet wird Die Unterscheidung zwischen Grenz und Oberflachen ist historisch bedingt und teilweise willkurlich Dass auch der dritte oben angesprochene Fall Grenzflachen innerhalb eines Festkorpers Bedeutung hat zeigen die zahlreichen Diskontinuitaten in der Erdkruste und im Erdmantel Mit den Eigenschaften von Grenzflachen im weiteren Sinne beschaftigen sich die Oberflachenchemie und Oberflachenphysik Grenz und OberflacheEine Oberflache lasst sich weniger klar definieren als man annehmen konnte Die geometrische Definition als Gesamtheit der Flachen die einen Korper von aussen begrenzen wird ab dem mikroskopischen Bereich problematisch Die Oberflachenatome sind keine scharf begrenzten Kugeln und zwischen ihnen konnen Lucken vorliegen die um vieles grosser sein konnen als die Atome selbst Die Grosse einer Grenz oder Oberflache ist skalenabhangig also vom verwendeten Beobachtungsmassstab abhangig Daher ist auch eine Unterscheidung von ausserer und innerer Oberflache bei allen porosen Materialien gegeben Diese bilden von aussen betrachtet einen kompakten Korper sind aber von zahlreichen Hohlraumen erfullt Fur zahlreiche physikalische und chemische Vorgange sind diese innenliegenden Oberflachen aber genauso relevant wie die aussere Oberflache Dabei ubersteigt die innere Oberflache die aussere oft um viele Grossenordnungen An der Grenzflache zwischen Gasen und Festkorpern kommen Temperatursprunge zustande wenn Gas und Festkorper verschiedene Temperaturen besitzen Typische Beispiele sind auf der Erde insbesondere die Erdoberflache bzw der Wasserspiegel von Meer und Gewassern bei Sternen die Photosphare die freie Oberflache einer Flussigkeit unter Gasdruck in der Technik die zu bearbeitende Oberflache eines Werkstucks als Gestaltabweichung vom idealen Korper in der Oberflachenangabe vermerkt eine dunne Schicht auf einem Objekt siehe auch Oberflachenveredelung Beschichtung die Messgrosse fur Pulver Haufwerke und Ahnliches die spezifische Oberflache als gesamtvolumen oder massenbezogene Oberflache Korperoberflache des Menschen Abschatzungsformeln fur eine skalenabhangige GrosseGrundlagenInnerhalb einer Phase wechselwirken Atome bzw Molekule in alle Raumrichtungen mit Atomen bzw Molekulen in ihrer Nachbarschaft Hier wirken in alle Richtungen gleiche Wechselwirkungskrafte Kohasionen In der Nahe der Grenzflache ist dies nicht der Fall An der Grenzflache stehen in Richtung der Nachbarphase unter Umstanden keine oder nur ganz andere Nachbarn fur eine Wechselwirkung zur Verfugung Fur Atome bzw Molekule ist es in der Regel energetisch ungunstig sich in der Nahe der Grenzflache aufzuhalten Daraus resultiert eine Grenzflachenspannung im Fall flussig gasformig die Oberflachenspannung Grenzflachenaktive Substanzen wie die Tenside Emulgatoren verringern die Grenzflachenspannung und konnen die Durchmischung zweier Phasen zu einer Emulsion oder Dispersion fordern An Grenzflachen zwischen festen und gasformigen Phasen kommt es in der Regel zu einer Adsorption von Stoffen aus der Gasphase Dieses Phanomen wird in vielen technischen Prozessen genutzt und spielt eine Rolle bei der heterogenen Katalyse An der Phasengrenze zwischen einem Elektronenleiter Feststoff und einem Elektrolyten Flussigkeit bildet sich eine elektrochemische Doppelschicht aus Diese Doppelschicht ist ein wichtiges Phanomen der Elektrochemie Phasengrenze im PhasendiagrammDie Phasengrenze wird im Phasendiagramm eines Stoffes durch die Phasengrenzlinie in Abhangigkeit von Temperatur und kinetischem Druck dargestellt Dieses Verhalten ist eine fur den Stoff typische Eigenschaft Siehe auchGaspermeabilitatsmethodeWeblinksGrenzflache im Lexikon der Physik auf spektrum de Eintrag zu Grenzflachen In Rompp Online Georg Thieme Verlag abgerufen am 16 Dezember 2019 EinzelnachweiseJ T Davies Stabile Kontaktpotentiale an der Grenzflache Ol Wasser In Zeitschrift fur Elektrochemie und angewandte physikalische Chemie Band 55 Nr 6 1951 S 559 560 doi 10 1002 bbpc 19510550618 wiley com Wolfgang H Binder Supramolekulare Anordung von Nanopartikeln an Flussig flussig Grenzflachen In Angewandte Chemie Band 117 Nr 33 2005 S 5300 5304 doi 10 1002 ange 200501220 Normdaten Sachbegriff GND 4021991 4 GND Explorer lobid OGND AKS LCCN sh94006577