Bild 3: Einzelner WassertropfenHintergrund:
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:
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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