Oberflächenchemie und Kolloidwissenschaft befassen sich mit Phänomenen, die an Grenzflächen zwischen Phasen und mit Systemen auftreten, die Partikel im Größenbereich von 1–1000 nm enthalten. Diese Bereiche sind von grundlegender Bedeutung für die Katalyse, die Arzneimittelabgabe, die Lebensmittelwissenschaft und die Umweltchemie.
Oberflächenspannung und Grenzflächenphänomene
Die Oberflächenspannung (γ) ist die Kraft pro Längeneinheit, die an der Oberfläche einer Flüssigkeit wirkt und aus unausgeglichenen intermolekularen Kräften an der Grenzfläche resultiert. Wasser hat bei 20°C eine Oberflächenspannung von 72,8 mN/m. Tenside (oberflächenaktive Mittel) verringern die Oberflächenspannung, indem sie an Grenzflächen adsorbieren und einen hydrophilen Kopf und einen hydrophoben Schwanz haben. Die kritische Mizellenkonzentration (CMC) ist die Konzentration, bei der sich Mizellen bilden. Die Gibbs-Adsorptionsisotherme setzt die Oberflächenüberschusskonzentration mit der Oberflächenspannung in Beziehung: Γ = -(1/RT) dγ/d(ln C).
Adsorption
Adsorption ist die Ansammlung von Atomen, Ionen oder Molekülen an einer Oberfläche, wobei das Adsorbat die adsorbierende Substanz und das Adsorbens die feste Oberfläche ist. Die Physisorption beinhaltet schwache Van-der-Waals-Kräfte mit ΔHads von 5–40 kJ/mol, ist reversibel und nimmt mit dem Druck zu, während die Chemisorption die Bildung chemischer Bindungen mit ΔHads von 40–400 kJ/mol beinhaltet, irreversibel und spezifisch ist. Die Langmuir-Isotherme geht von einer Monoschichtadsorption auf einer gleichmäßigen Oberfläche ohne Wechselwirkungen zwischen Adsorbatmolekülen aus: θ = KP/(1 + KP), wobei θ die Oberflächenbedeckung und K die Gleichgewichtskonstante ist. Die BET-Isotherme erweitert das Langmuir-Modell auf die Mehrschichtadsorption und wird zur Messung der Oberfläche poröser Materialien verwendet.
Katalyse
Ein Katalysator erhöht die Geschwindigkeit einer Reaktion, ohne verbraucht zu werden. Heterogene Katalyse findet auf festen Oberflächen statt, wobei die Reaktanten an aktiven Stellen adsorbieren – wichtige industrielle Beispiele sind Fe für die Haber-Bosch-Ammoniaksynthese, Pt/Rh für das Ostwald-Salpetersäureverfahren, Ziegler-Natta-Katalysatoren für die Olefinpolymerisation und Zeolithe für das katalytische Wirbelschichtcracken. Homogene Katalyse findet in derselben Phase statt, wie beim Wilkinson-Katalysator für die Hydrierung, dem Grubbs-Katalysator für die Olefinmetathese und Organokatalysatoren zu sehen ist. Die Enzymkatalyse ist die effizienteste Form mit katalytischen Effizienzen von bis zu 10^8 M-1s-1 und einer hervorragenden Substratspezifität.
Kolloidale Systeme
Ein Kolloid besteht aus einer dispergierten Phase mit Partikeln von 1–1000 nm in einem kontinuierlichen Dispersionsmedium, zu den Typen gehören Sole (fest in flüssig), Emulsionen (flüssig in flüssig), Schäume (Gas in flüssig) und Aerosole (flüssig oder fest in Gas). Lyophile Kolloide (lösungsmittelliebend) bilden sich spontan und sind thermodynamisch stabil, während lyophobe Kolloide (lösungsmittelhassend) spezielle Herstellungsmethoden erfordern und kinetisch stabil sind. Der Tyndall-Effekt beschreibt, wie kolloidale Partikel Licht streuen und durch die Dispersion einen Strahl sichtbar machen, der Kolloide von echten Lösungen unterscheidet.
Kolloidale Stabilität
Die DLVO-Theorie beschreibt die kolloidale Stabilität durch das Gleichgewicht zwischen Van-der-Waals-Anziehung und elektrostatischer Abstoßung durch die elektrische Doppelschicht. Das Zetapotential (ζ) ist das elektrische Potential an der Gleitebene, und ein Zetapotential von mehr als ±30 mV sorgt typischerweise für eine gute kolloidale Stabilität. Zur Koagulation (Aggregation) kommt es, wenn abstoßende Barrieren durch Zugabe von Elektrolyten in der kritischen Koagulationskonzentration, insbesondere mehrwertigen Ionen gemäß der Schulze-Hardy-Regel, überwunden werden. Die sterische Stabilisierung nutzt adsorbierte Polymere oder Tenside, um die Annäherung von Partikeln durch entropische Abstoßung zu verhindern.
Emulsionen und Schäume
Emulsionen sind Dispersionen einer nicht mischbaren Flüssigkeit in einer anderen, wobei Öl-in-Wasser (O/W) und Wasser-in-Öl (W/O) die Haupttypen sind; Emulgatoren wie Tenside und Polymere stabilisieren Tröpfchen gegen Koaleszenz. Mikroemulsionen sind thermodynamisch stabile, transparente Dispersionen, die mit hohen Tensidkonzentrationen gebildet werden. Schäume sind Dispersionen von Gasblasen in Flüssigkeiten oder Feststoffen, die durch Tenside (Schaummittel) stabilisiert werden, die durch den Gibbs-Marangoni-Effekt die Oberflächenspannung verringern und die Filmelastizität erhöhen.
Anwendungen
Oberflächenchemie und Kolloidwissenschaft werden in Arzneimitteln für kolloidale Arzneimittelabgabesysteme (Liposomen, Nanopartikel) und Suspensionsstabilität eingesetzt. in der Lebensmittelwissenschaft für Mayonnaise (O/W-Emulsion), Eiscreme (Schaum) und Milch (kolloidale Kaseinmizellen); in den Umweltwissenschaften zur Wasseraufbereitung (Flockung, Koagulation) und Schadstoffadsorption; und in den Materialwissenschaften für Farb- und Tintenformulierung, Katalysatordesign und Nanomaterialsynthese.
