Stalagmometer

Ein Stalagmometer ist ein einfaches, in der Regel manuelles Instrument zur Messung der Oberflächenspannung (OFS) von Flüssigkeiten, seltener der Grenzflächenspannung (GFS) zwischen zwei Flüssigkeiten. Bei der Messung wird die Masse oder das Volumen von Tropfen erfasst, die nach dem Durchfließen einer senkrechten Kapillare von deren Spitze herabfallen. Das Stalagmometer ist eine Vorform des Tropfenvolumen-Tensiometers, das mithilfe elektronisch geregelten Flüssigkeitsvorschubs und optischer Tropfendetektion die dynamische GFS oder OFS misst.

Hintergrund

Nach Tates Gesetz hängt die Masse m der herabfallenden Tropfen von der Oberflächenspannung (OFS) σ, vom inneren Kapillarradius r und der Erdbeschleunigung g ab:

Tates Gesetz
Schematische Abbildung eines Stalagmometers

Diese Gleichung beschreibt die Tatsache, dass der Tropfen genau dann fällt, wenn seine Gewichtskraft die aufzuwendende Kraft für die Bildung der neuen Flüssigkeitsoberfläche an der Abrissgrenze kompensiert. Erfasst wird die Masse oder, unter Voraussetzung einer bekannten Flüssigkeitsdichte, das Volumen der Tropfen. Möglich ist auch eine Zählung der Tropfen, die aus einem gegebenen Volumen gebildet werden. Wenn der Kapillar-Innendurchmesser nicht genau bekannt ist, kann die relative OFS der Probe im Verhältnis zu einer Flüssigkeit mit bekannter OFS (meist Wasser) gemessen werden.

Anwendbarkeit für Tensidlösungen

Bei dem gemessenen Ergebnis handelt es sich nicht um eine statische, sondern um eine dynamische OFS, weil die Messung im Zuge der Bildung einer neuen Oberfläche erfolgt. Bei Tensiden hängt das Ergebnis aufgrund der Diffusions- und Adsorptionsdynamik vom Oberflächenalter zum Abrisszeitpunkt ab, sofern sich noch kein Gleichgewichtswert eingestellt hat. Da die Fließgeschwindigkeit und damit auch das Oberflächenalter bei einem manuellen Stalagmometer nur sehr begrenzt einstellbar ist und sich im Zuge der Messung aufgrund des abnehmenden hydrostatischen Drucks ändert, kann dieser Einfluss nicht quantifiziert werden.

Nutzung des Messprinzips bei einem Tropfenvolumentensiometer

Bei elektronischen Tropfenvolumen-Tensiometern ist es möglich, die Fließgeschwindigkeit vorzugeben und in einem großen Bereich zu variieren. Sie machen sich die Abhängigkeit der GFS oder OFS einer Tensidlösung vom Oberflächenalter zunutze, um die dynamischen Eigenschaften eines Tensids zu untersuchen und deren Verhalten in unterschiedlich schnellen technischen Prozessen zu quantifizieren. Im Bereich langsamer Fließgeschwindigkeiten kann dabei häufig auch der Gleichgewichtswert der GFS/OFS erfasst werden, der dem Ergebnis einer statischen Messung entspricht.

Literatur

T. Tate, Phil. Mag. 22, 176 (1864)