Techniklexikon

Benetzung

Ausbildung eines kleinen Kontaktwinkels (Randwinkel) zwischen einer Flüssigkeits- und einer Festkörperoberfläche. Der Kontaktwinkel J (Abb.) ist der Winkel, der sich am Rand eines auf einer Festkörperoberfläche befindlichen Tropfens zwischen der Tropfenoberfläche und der Festkörperoberfläche bildet. Im Benetzungsgleichgewicht, d.h. im Gleichgewicht zwischen den am Rand des Tropfens angreifenden Grenzflächenspannungen ist J durch die Young-Gleichung bestimmt: s_s > g_s,f + s_f cos J. Hierbei ist s_s die Oberflächenspannung des festen Körpers, g_s,f die Grenzflächenspannung zwischen dem flüssigen und dem festen Körper und s_f die Oberflächenspannung der Flüssigkeit. Ist J < 90°, so spricht man von Benetzung, bei J > 90° von Nichtbenetzung. So benetzt z.B. Wasser eine Glasoberfläche, während ein Quecksilbertropfen darauf eine durch einen grossen Kontaktwinkel gekennzeichnete kugelförmige Gestalt annimmt.

Wird eine Flüssigkeit mit einem Festkörper in Kontakt gebracht, dann wird einerseits Energie gewonnen, denn es verschwindet eine Festkörper- und eine Flüssigkeitsoberfläche, andererseits muss Energie aufgebracht werden, um eine neue Grenzfläche zu erzeugen. Die Differenz der je Flächeneinheit gewonnen zur aufgewandten freien Energie ist die Adhäsionsarbeit z_s,f : . Sind die beiden in Kontakt gebrachten Körper vom gleichen Stoff, dann entsteht keine neue Grenzfläche, und die dabei gewonnene freie Energie wird als Kohäsionsarbeit bezeichnet. Sie beträgt z_s = 2s_s bei Festkörpern und z_f = 2s_f bei Flüssigkeiten. Wird in der Young-Gleichung s_s vergrössert, dann muss J kleiner werden, d.h. der Tropfen muss flacher werden. Ist schliesslich s_s > g_s,f + s_f , dann ist die Young-Gleichung nicht mehr erfüllbar, der Kontaktwinkel beträgt Null, d.h. der Tropfen breitet sich als dünner Film über die ganze Oberfläche aus. Dieser Vorgang heisst vollkommene Benetzung oder Spreitung und die Differenz zwischen s_s und (g_s,f + s_f) Spreitungsdruck: p_sp = s_s - (g_s,f + s_f) = z_s,f - z_f , der gleich der Differenz zwischen Adhäsions- und Kohäsionsarbeit ist. Spreitung tritt also immer dann auf, wenn die Adhäsionskräfte grösser sind als die Kohäsionskräfte.

Die Benetzungsspannung oder Haftspannung s_s,f ist die freie Energie pro Flächeneinheit, die gewonnen wird, wenn eine Festkörperoberfläche benetzt wird, ohne dass die Grösse der Flüssigkeitsoberfläche dabei geändert wird. Dies ist experimentell möglich, indem z.B. ein zylindrischer, in eine Flüssigkeit eintauchender Stab etwas tiefer in die Flüssigkeit gesenkt wird. Es ist  . Die Benetzungswärme, die gesamte bei isothermer Benetzung frei werdende Energie, die der Änderung der inneren Energie entspricht, beträgt

Benetzung: Benetzungsgleichgewicht.