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2016 | Book

Einführung Read chapter Read first chapter

Einführung in die Physik und Chemie der Grenzflächen und Kolloide

Authors: Günter Jakob Lauth, Jürgen Kowalczyk

Publisher: Springer Berlin Heidelberg

Part of: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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About this book

Das Gebiet der Kolloid- und Grenzflächenchemie und -physik ist ausgesprochen vielschichtig und nahezu für alle Gebiete der Natur- und Lebenswissenschaften sowie der Technik von immenser und stetig zunehmender Bedeutung. Dieses Lehrbuch richtet sich an alle Studenten der Chemie und der Biologie im Master- bzw. Bachelor-Studiengang. Es ist das erste für Anfänger geeignete Lehrbuch zu dieser Thematik und fasst die chemischen, physikalischen und technologischen Grundlagen dieses aktuellen Gebietes auf dem Niveau eines Bachelor-Vertiefungsstudiums zusammen. Es schließt damit eine Lücke, denn bisher mussten sich viele Studierende die in diesem Buch aufgeführten Grundlagen mühsam aus vielen sehr speziellen Lehrbüchern unterschiedlicher Thematik zusammensuchen.

Table of Contents

Frontmatter

Einführung und Grundlagen

Frontmatter
1. Einführung
Zusammenfassung
Die Kolloidchemie ist in vielen Bereichen der Industrie und Technik von Bedeutung. Beispiele sind Medizin, Pharmazeutische Chemie, Farbenchemie, Kosmetische Chemie, Technische Chemie, heterogene Katalyse, Nanotechnologie. In der Einführung wird die Bedeutung der Kolloidwissenschaft aufgezeigt.
Warum benötigt man überhaupt ein eigenes Gebiet, welches sich mit kleinen Teilchen beschäftigt? Was ist das Besondere an Kolloiden, das ein eigenes Fachgebiet rechtfertigt? Es wird erklärt, was man unter einem Kolloid versteht und welche verschiedene Arten von Kolloiden unterschieden werden.
Günter Jakob Lauth, Jürgen Kowalczyk
2. Betrachtungen zur Thermodynamik
Zusammenfassung
Erforscht man ein neues, unbekanntes wissenschaftliches Gebiet, dann greift man stets zuerst auf Bekanntes zurück. Systeme lassen sich thermodynamisch beschreiben, sodass die Thermodynamik einen guten Weg liefert, in ein neues Fachgebiet einzusteigen. Auf den gewonnen Erkenntnissen aufbauend kann dieses dann weiter erforscht werden.
Dieses Lehrbuch soll unter anderem den Weg aufzeigen, wie man in der Forschung Neues erarbeitet. Daher wird der oben geschilderte Weg konsequent verfolgt, und in diesem Abschnitt werden wichtige thermodynamische Grundlagen aufgeführt, die für das Weitere erforderlich sind.
Günter Jakob Lauth, Jürgen Kowalczyk
3. Kräfte zwischen Molekülen
Zusammenfassung
Wechselwirkungen zwischen Teilchen werden grundsätzlich durch die Kräfte hervorgerufen, die zwischen den einzelnen Komponenten wirken. Aus der Wechselwirkung zwischen Molekülen sollten sich somit Wechselwirkungen zwischen größeren Agglomeraten wie den Kolloiden herleiten lassen. Wie dies im Einzelnen erfolgen kann, wird in diesem Kapitel aufgezeigt.
Günter Jakob Lauth, Jürgen Kowalczyk
4. Grenzflächenerscheinungen an flüssigen Phasengrenzen
Zusammenfassung
Hat man die Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Teilchen eines Systems theoretisch abgeleitet, stellt sich die Frage, wie man die Theorie überprüfen kann. Makroskopisch äußern sich diese Wechselwirkungen durch die an Grenzflächen auftretenden Erscheinungen. In diesem Kapitel werden Grenzflächenerscheinungen beschrieben und unter anderem mithilfe der Thermodynamik erklärt. Über die Untersuchung der Energie der Grenzflächen lassen sich weitere wichtige Zusammenhänge erkennen und auf Basis der Wechselwirkung zwischen den einzelnen Teilchen verstehen.
Günter Jakob Lauth, Jürgen Kowalczyk
5. Experimentelle Methoden: Messung der Grenzflächenspannung
Zusammenfassung
Die Oberflächenspannung ist eine makroskopische physikalische Größe, die dem Wissenschaftler ein Fenster in die mikroskopische Welt liefert. Wie kann dieser Parameter gemessen werden? In diesem Kapitel werden dazu verschiedene Methoden vorgestellt.
Phasengrenzen, an denen feste Stoffe beteiligt sind, erfordern aufgrund der höheren Komplexität einen eigenen Zugang. Wie kann die Phasengrenzfläche an festen Körpern bestimmt werden? Auch diese Fragen werden in diesem Kapitel einführend beantwortet.
Günter Jakob Lauth, Jürgen Kowalczyk
6. Diffusion
Zusammenfassung
Änderungen an Phasengrenzflächen und damit Veränderungen dieser Phasengrenzen werden maßgeblich durch Transportprozesse derjenigen Teilchen bestimmt, die von der Phasengrenze weg oder zu dieser hin transportiert werden. Der wichtigste dieser Transportprozesse ist die Diffusion. Daher werden in diesem Kapitel die Grundlagen der Diffusion erläutert.
Günter Jakob Lauth, Jürgen Kowalczyk
7. Messung der Diffusionskoeffizienten
Zusammenfassung
Die makroskopisch definierten Diffusionskoeffizienten liefern ein weiteres Fenster in die mikroskopische Welt. Daher ist es wichtig, Diffusionskoeffizienten messen zu können. Die Erklärung der verschiedenen Messmethoden erfolgt in diesem Kapitel. Dabei werden auch moderne Methoden wie die Messung der Diffusionskoeffizienten über NMR-Messungen oder mittels der Photonenkreuzkorrelationsspektroskopie erklärt.
Günter Jakob Lauth, Jürgen Kowalczyk
8. Elektrische Eigenschaften von Kolloiden und Oberflächen
Zusammenfassung
Sind kolloide Systeme stabil? Wenn ja, welche Mechanismen führen zur Stabilität derartiger Systeme? Eine mögliche Erklärung wäre die Ladungsstabilisierung, wenn die Teilchen überhaupt Ladungen tragen. Wie sieht dann die Ladungsverteilung um die Teilchen aus, und welche effektive Ladung kann die Stabilität kolloider Lösungen bewirken? Diese Fragen werden in diesem Kapitel behandelt.
Günter Jakob Lauth, Jürgen Kowalczyk
9. Stabilität von Suspensionen
Zusammenfassung
Welche Mechanismen beeinflussen die Ladungsverteilung in einem fluiden System und damit die Stabilität kolloider Lösungen? Womit lässt sich diese Stabilität steuern? Wie lassen sich Phasenübergänge zwischen kolloiden wechselwirkenden Systemen beschreiben? Theorien zur Beantwortung dieser Fragen sind unter anderem die DLVO-Theorie und die Perkolationstheorie, die in diesem Kapitel behandelt werden.
Günter Jakob Lauth, Jürgen Kowalczyk
10. Rheologische Eigenschaften kolloider Systeme
Zusammenfassung
Die innere Reibung in einer Flüssigkeit beruht auf den Wechselwirkungen der Teilchen untereinander. Damit beeinflussen aber auch die Kolloide in dieser Flüssigkeit deren Verhalten, und dies liefert uns weitere Hinweise auf die Kolloide selbst. Was kann man aus dem rheologischen Verhalten einer Lösung über die Teilchen lernen? Welche Theorien benötigt man hierzu, und wie wird die Viskosität gemessen? Diese Fragen werden in diesem Kapitel beantwortet.
Günter Jakob Lauth, Jürgen Kowalczyk

Anwendungsbeispiele

Frontmatter
11. Grenzflächenaktive Substanzen
Zusammenfassung
Seit alters her werden grenzflächenaktive Substanzen verwendet, wobei die bekanntesten die Waschmittel sind. Grenzflächenaktive Substanzen stellen daher eine wichtige Klasse der in diesem Lehrbuch behandelten Verbindungen dar.
Wie funktioniert ein Waschmittel, wie setzen sich modere Reiniger zusammen? Wo finden grenzflächenaktive Substanzen an andere Stelle Verwendung? Diese Fragen werden in diesem Kapitel beantwortet.
Günter Jakob Lauth, Jürgen Kowalczyk
12. Mizellkolloide
Zusammenfassung
Mizellkolloide sind eine weitere wichtige Gruppe kolloidaler Systeme. Wir selbst sind aus solchen Systemen aufgebaut, und ohne die geeigneten grenzflächenaktiven Eigenschaften der Zellwände wäre Leben nicht möglich! Unter welchen Voraussetzungen bilden sich Mizellen, und wie sind sie aufgebaut? Welche Formen von Mizellen werden gebildet und wovon hängt die Form der Mizelle ab? Diese Fragen werden in diesem Kapitel behandelt.
Günter Jakob Lauth, Jürgen Kowalczyk
13. Flüssigkristalle
Zusammenfassung
Flüssigkristalle begegnen uns in Form von Flüssigkristalldisplays an vielen Stellen im täglichen Leben. Wie funktionieren diese Anzeigen? Was haben diese Anzeigen mit kolloidalen Systemen zu tun? Fragen wie diese werden in diesem Kapitel einführend beantwortet.
Günter Jakob Lauth, Jürgen Kowalczyk
14. Emulsionen
Zusammenfassung
Eine Emulsion ist ein fein verteiltes Gemisch zweier normalerweise nicht mischbarer Flüssigkeiten ohne sichtbare Entmischung. Solche Systeme kennt jeder in Form von Milch. Wo Emulsionen weiter genutzt werden und wie sie unterteilt werden können, wird in diesem Kapitel beschrieben.
Günter Jakob Lauth, Jürgen Kowalczyk
15. Dispersionskolloide
Zusammenfassung
Von Dispersionskolloiden spricht man, wenn Feststoffe in einem Dispersionsmittel dispergiert werden. Damit sind solche Systeme ähnlich den Emulsionen. Trotz dieser engen Verwandtschaft sind Dispersionen in einem eigenen Kapitel kurz aufgeführt.
Günter Jakob Lauth, Jürgen Kowalczyk
16. Gele: Hydrogele und Aerogele
Zusammenfassung
Götterspeise, Zahnpasta und Marmelade sind Beispiele für gelartige Substanzen, und auch das Innere der Zellen besitzt eine gelartige Struktur. Mit der Entwicklung der Polymerchemie setzte eine neue Phase bei der Erforschung der Gele ein, da man in der Lage war, Struktur und Eigenschaften der Substanzen gezielt zu steuern. In diesem Kapitel wird erläutert, wie man Gele herstellt und wozu sie verwendet werden.
Günter Jakob Lauth, Jürgen Kowalczyk
17. Anhang
Zusammenfassung
Im Anhang werden Beziehungen abgeleitet, die einen direkten Bezug zur Theorie der Grenzflächen und Kolloide besitzen und (eigentlich) für deren Behandlung vorausgesetzt werden sollten. Dazu gehören Die Debye-Hückel-Theorie, die Clausius-Mossotti-Beziehung, die Debye-Gleichung, die Lorentz-Lorenz-Gleichung sowie die Kramers-Kronig-Relation.
Den Autoren ist klar, dass diese Beziehungen nicht allen Lesern im Detail bekannt sind, weshalb sie hier noch einmal hergeleitet werden.
Günter Jakob Lauth, Jürgen Kowalczyk
Backmatter
Metadata
Title
Einführung in die Physik und Chemie der Grenzflächen und Kolloide
Authors
Günter Jakob Lauth
Jürgen Kowalczyk
Copyright Year
2016
Publisher
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-662-47018-3
Print ISBN
978-3-662-47017-6
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-47018-3

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