Fortgeschritten #73

Bei einigen Salzen gibt es ein Minimum der Oberflächenspannung -- der Jones-Ray-Effekt

Bestimmte Salzlösungen zeigen ein Minimum der Oberflächenspannung bei niedrigen Konzentrationen.

Wissenschaftliche Erklärung

Gibt man Salz zu Wasser, steigt die Oberflächenspannung normalerweise monoton mit der Konzentration an — die Ionen werden von der Oberfläche ins Innere gedrängt, und die stärkere Ordnung an der Oberfläche erhöht die Spannung. Der Jones-Ray-Effekt beschreibt eine überraschende Abweichung von diesem erwarteten Verhalten: Bei sehr niedrigen Salzkonzentrationen (im Bereich von etwa 1 Millimol pro Liter) sinkt die Oberflächenspannung zunächst leicht unter den Wert des reinen Wassers, bevor sie bei höheren Konzentrationen wie erwartet ansteigt.

Dieses Minimum wurde erstmals 1937 von Grinnell Jones und William Ray experimentell beobachtet und blieb über Jahrzehnte umstritten. Neuere Messungen und Simulationen haben den Effekt bestätigt und verschiedene Erklärungsansätze vorgeschlagen. Eine Hypothese besagt, dass bei sehr niedrigen Konzentrationen einzelne Ionen die Oberflächenschicht stüren und die lokale Ordnung der Wasserstoffbrückenbindungen aufbrechen, was die Oberflächenspannung leicht verringert. Erst bei höheren Konzentrationen dominiert der ionische Ausschluss von der Oberfläche, und die Spannung steigt.

Die genaue Erklärung ist nach wie vor Gegenstand aktiver Forschung und berührt grundlegende Fragen zur Ionenverteilung an Grenzflächen.

Jones-Ray Effect: Surface Tension Minimum Line chart showing surface tension of a salt solution versus concentration. At very low salt concentrations (around 1 millimolar), the surface tension dips below that of pure water before rising at higher concentrations. This dip is the Jones-Ray effect. Surface Tension γ Salt Concentration (log scale) 0 10⁻³ M 10⁻² M 10⁻¹ M 1 M Pure water Minimum (Jones-Ray) Expected (monotonic rise) Jones-Ray Effect — Surface Tension Minimum
Der Jones-Ray-Effekt: ein unerwartetes Minimum der Oberflächenspannung bei sehr niedrigen Salzkonzentrationen.

Alltagsrelevanz

Obwohl der Jones-Ray-Effekt bei sehr niedrigen Konzentrationen auftritt, hat er Relevanz für das Verständnis von Grenzflächenprozessen in der Natur. In Meeresgischt, Wolkentröpfchen und biologischen Membranen liegen Salzkonzentrationen vor, bei denen solche Effekte eine Rolle spielen können. Das Verständnis der Ionenverteilung an Wasseroberflächen ist auch für die Atmosphärenchemie wichtig, wo Reaktionen an der Oberfläche von Salzaerosolen den Ozonabbau und die Ärosolbildung beeinflussen.