Oberflächenspannung
Der einzelne Wassertropfen



Bild 3: Einzelner Wassertropfen

Hintergrund:

Die Oberflächenspannung ist ein Effekt, der dazu führt, dass sich die Oberfläche einer Flüssigkeit wie eine elastische Folie verhält und einen möglichst glatten Zustand minimaler Ausdehnung anstrebt. Das heißt, die Oberfläche einer Flüssigkeit strebt immer den energieärmsten Zustand an. Je höher die Oberflächenspannung, desto "kugelförmiger" ist ein Tropfen dieser Flüssigkeit. Als Oberflächenspannung (Einheit: N/m) bezeichnet man weithin auch die Grenzflächenspannung, die auf die Grenzfläche zweier Stoffe in beliebiger Phase wirkt.

Was ist Oberflächenspannung?

Vergrößert man die Oberfläche einer Flüssigkeit, so muss man - eben aufgrund der Oberflächenspannung - eine Arbeit verrichten. Die Oberflächenspannung wird definiert als:

Arbeit, die zur Vergrößerung der Oberfläche verrichtet werden muss,
dividiert durch die Fläche, die dabei zusätzlich entsteht.

Demzufolge kann die Oberflächenspannung auch als Oberflächenenergiedichte bezeichnet werden. Bei der Vergrößerung der Fläche muss eine Kraft ausgeübt werden, beispielsweise wenn man eine an einem Draht hängende Flüssigkeitslamelle vergrößert, indem man den Draht nach oben zieht. Die Kraft ist direkt proportional zur Drahtlänge, und für Flüssigkeiten ist die Kraft pro Längeneinheit gleich der Änderung der Oberflächenenergie.

Wie entsteht die Oberflächenspannung?

Aufgrund ihres Dipolcharakters ziehen sich Wassermoleküle gegenseitig an und bilden Wasserstoffbrückenbindungen aus (siehe Abb.1). Im Inneren der Flüssigkeit heben sich die Anziehungskräfte auf, da sie von allen Seiten gleichermaßen auf ein bestimmtes Molekül einwirken ( I ). Ein an der Oberfläche befindliches Wassermolekül wird dagegen einseitig nach innen gezogen, da die von den Teilchen der Luft ausgeübten Anziehungskräfte im Vergleich zu den starken Wechselwirkungen zwischen den Wassermolekülen (Wasserstoffbrückenbindungen) sehr gering sind ( II ). Daraus resultiert die hohe Oberflächenspannung des Wassers.


Abb. 1: Bildung der Oberflächenspannung des Wassers [1]

Im Inneren einer Wasserportion ist jedes Molekül von vielen anderen Wassermolekülen umgeben (siehe Abb.2). Die zwischen den Wassermolekülen wirkenden Anziehungskräfte (Wasserstoffbrückenbindungen) wirken gleichmäßig nach allen Seiten und heben sich daher in ihrer Wirkung gegenseitig auf (A). An der Oberfläche des Wassers, also an der Grenzfläche zwischen Wasser und Luft, ist die Situation jedoch eine andere. An der Wasseroberfläche fehlen nach oben hin die Wassermoleküle und damit auch die entsprechenden Anziehungskräfte. Nach unten hin sind jedoch Wassermoleküle vorhanden, die die an der Wasseroberfläche befindlichen Wassermoleküle anziehen (B). Deshalb wirkt auf ein Oberflächenmolekül eine Kraft (F), die ins Innere der Flüssigkeit gerichtet ist. Die Summe dieser Kräfte tritt als Oberflächenspannung in Erscheinung.


Abb. 2: Kräftediagramm zur Oberflächenspannung [1]

Folgen der Oberflächenspannung

In dem Bestreben die Oberflächenenergie zu verringern, also die offenen Bindungen auf der gesamten Oberfläche abzusättigen, wird die Oberfläche von Flüssigkeiten verringert. Für ein Wassermolekül ist es energetisch günstiger, sich im Innern einer Wasserportion zu befinden, da sich hier die Anziehungskräfte gegenseitig aufheben. Eine Wasserportion wird daher immer eine möglichst kleine Oberfläche ausbilden, damit möglichst wenige Wassermoleküle an der Oberfläche liegen müssen. Wirken keine weiteren Kräfte, so ist dies die Kugelform. Unter der Einwirkung zusätzlicher Kräfte (Schwerkraft, Wechselwirkung mit der Unterlage) entsteht die typische Tropfenform.

Die Größe der Oberflächenspannung hängt im Wesentlichen von der Stärke der Anziehungskräfte zwischen den Flüssigkeitsmolekülen ab. Wasser hat infolge der hohen Polarität der Wassermoleküle und der dadurch bedingten starken Wasserstoffbrückenbindungen eine sehr große Oberflächenspannung. Dadurch wirkt die Oberfläche zwischen Wasser und Luft wie eine gespannte, elastische Haut.


Bildinformation:

Bild 3 zeigt einen einzelnen Wassertropfen auf einer imprägnierten Gesteinsoberfläche in 5facher Vergrößerung.

Verwendung:
Die vorliegenden Bilder können für private und nichtkommerzielle Lehrzwecke benutzt werden. Als minimaler Bildnachweis müssen das Copyright und der Urheber in folgender Form vermerkt werden: © Kathrin Götz
Für Bildbestellungen in höherer Auflösung bitte E-Mail an folgende Adresse:
seminar-goetz ät gmx.de


Quellen:

http://www.wissenschaft-im-dialog.de/fileadmin/redakteure/dokumente/kinderbereich/
manuskripte_scienox/Daphne_Sen_080526.pdf Stand 18.01.10


© Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 03.07.12