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Die Oberflächenspannung ist die Energie, die benötigt wird, um die Oberfläche einer Flüssigkeit pro Flächeneinheit zu vergrößern. Da diese Kräfte je nach Art der Flüssigkeit (z. B. Wasser oder Benzin) oder den darin enthaltenen gelösten Stoffen (z. B. Tensiden wie Reinigungsmitteln) variieren, hat jede Lösung unterschiedliche Oberflächenspannungswerte.
Schauen wir uns ein Beispiel an: Jedes Mal, wenn ein Glas Wasser fast bis zum Rand gefüllt ist, kann beobachtet werden, dass der Wasserstand im Glas tatsächlich höher ist als die Höhe des Glases. Sie können auch sehen, dass das verschüttete Wasser Pfützen gebildet hat, die über die Oberfläche ragen. Die beiden beschriebenen Phänomene sind auf die Oberflächenspannung zurückzuführen .
Intuitiv ist die Oberflächenspannung die Tendenz einer Flüssigkeit, so wenig Oberfläche wie möglich einzunehmen. Diese Tendenz ist der Schlüsselfaktor bei der Kapillarwirkung oder Kapillarbewegung . Die Kapillarwirkung ist eine Folge der Kohäsionskräfte zwischen Molekülen, d. h. der Tendenz von Molekülen, zusammenzubleiben und aneinander zu haften.
Kohäsionskräfte und Adhäsionskräfte
Kohäsionskräfte und Adhäsionskräfte stehen in engem Zusammenhang mit der Oberflächenspannung. Diese Kräfte treten auf, wenn Stoffe eine Masse haben, also makroskopische Eigenschaften haben, also nicht ins Spiel kommen, wenn man einzelne Atome oder Moleküle berücksichtigt.
- Kohäsionskräfte . Sie sind die Kräfte, die Moleküle zusammenhalten. Wenn die Kohäsionskräfte stark sind, neigt eine Flüssigkeit dazu, Tröpfchen auf einer Oberfläche zu bilden.
- Adhäsionskräfte . Sie sind die Kräfte, die zwischen den Molekülen der Flüssigkeit und einer Oberfläche ausgeübt werden. Wenn die Adhäsionskräfte stark sind, neigt eine Flüssigkeit dazu, sich über eine Oberfläche auszubreiten.
Wenn also die Kohäsionskräfte stärker als die Adhäsionskräfte sind, behält die Flüssigkeit ihre Form bei, aber wenn das Gegenteil eintritt, breitet sich die Flüssigkeit aus und vergrößert so ihre Oberfläche. Jeder Stoff, der einer Flüssigkeit zugesetzt wird, um deren Oberfläche zu vergrößern, wird als Netzmittel bezeichnet.
Netzmittel sind Substanzen, die die Oberflächenspannung einer Flüssigkeit verringern und bewirken, dass sie sich in Form von Tropfen auf einer Oberfläche ausbreitet, wodurch die Dispergierfähigkeit der Flüssigkeit erhöht wird.
molekulare Perspektive
In einer Wasserprobe gibt es zwei Arten von Molekülen: die an der Außenseite der Probe (äußere Moleküle) und die an der Innenseite (innere Moleküle). Die inneren Moleküle werden von allen Molekülen um sie herum angezogen, während die äußeren Moleküle nur von anderen Molekülen auf der Oberfläche und den darunter liegenden angezogen werden. Dadurch wird der Energiezustand der inneren Moleküle weniger intensiv als der der äußeren Moleküle. Somit behalten die Moleküle eine minimale Oberfläche bei, wodurch mehr Moleküle einen niedrigeren Energiezustand haben können. Dieses Phänomen ist eine Folge der Oberflächenspannung und eine der besten Möglichkeiten, ihre Existenz zu überprüfen.
Wassermoleküle werden aufgrund der polaren Eigenschaft von Wasser voneinander angezogen. Die Wasserstoffenden sind positiv, während die Sauerstoffenden negativ sind, und sie verbinden negative Sauerstoffatome mit positiven Wasserstoffatomen. Um diese intermolekularen Bindungen aufzubrechen, wird eine bestimmte Energiemenge benötigt, die genau die Oberflächenspannung ist. Dasselbe gilt für andere Flüssigkeiten, auch solche, die hydrophob sind , wie Öl. Es gibt andere Kräfte, die in der Flüssigkeit wirken, wie z. B. Van-der-Waals-Kräfte, die zwischen den Molekülen der Flüssigkeit ausgeübt werden.
Bleiben wir beim Beispiel von Wasser: Seine Oberflächenspannung ist sehr hoch. Tatsächlich kann die Oberflächenspannung von Wasser dazu führen, dass Materialien, die noch dichter als Wasser selbst sind, darauf schwimmen. Dank ihrer Oberflächenspannung können bestimmte Organismen buchstäblich auf Wasser laufen. Ein Beispiel ist die Wassermücke oder der Schuhmacher, die aufgrund der zwischenmolekularen Kräfte der Wassermoleküle und weil das Gewicht der Mücke auf ihre Beine verteilt wird, über ihre Oberfläche laufen kann. Die Oberflächenspannung ermöglicht auch die Bildung von Tröpfchen, die wir ständig in der Natur sehen.
Andere Beispiele für Oberflächenspannung
Ein alkoholisches Getränk bildet aufgrund der Wechselwirkung zwischen den unterschiedlichen Oberflächenspannungswerten von Ethanol und Wasser und der schnelleren Verdunstung von Alkohol im Vergleich zu Wasser kleine Rillen im Glas.
Öl und Wasser trennen sich, weil die Oberflächenspannung dieser Flüssigkeiten unterschiedlich ist. In diesem Fall ist der Begriff „Grenzflächenspannung“, aber es ist einfach eine Art Oberflächenspannung zwischen zwei Flüssigkeiten.
