Oberflächenspannung verstehen: Kräfte, die Flüssigkeiten formen

Überblick

Manchmal sind die kleinsten Kräfte in der Natur für dramatische Ergebnisse verantwortlich. Oberflächenspannung ist ein solches Beispiel. Diese Eigenschaft von Flüssigkeiten, verursacht durch molekulare Anziehung, ist verantwortlich für die Form von Regentropfen und die Bildung von Blasen sowie dafür, wie Sie Ihre Kleidung waschen. Während alle Flüssigkeiten diese natürliche Eigenschaft aufweisen, besitzt Wasser einen ungewöhnlich hohen Grad an Oberflächenspannung.

Allgemeine Oberflächenspannung

• Alle Flüssigkeiten weisen bis zu einem gewissen Grad Oberflächenspannung auf. Die Spannung wird durch molekulare Kohäsion erzeugt. Diese Kohäsion bewirkt, dass gleiche Moleküle sich gegenseitig anziehen. Unter der Oberfläche einer Flüssigkeit werden Moleküle gleichmäßig in alle Richtungen durch die kohäsive Kraft gezogen. An der Oberfläche werden die Moleküle der Flüssigkeit jedoch nur in seitlicher und abwärts gerichteter Richtung gezogen. Die seitliche Anziehung zwischen den Molekülen erzeugt Oberflächenspannung.

Oberflächenspannung von Wasser

• Zusätzlich zur natürlichen Anziehung zwischen Molekülen weisen Wassermoleküle eine weitere Art von Kraft auf, die die Oberflächenspannung beeinflusst. Jedes Wassermolekül besteht aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom. Die Wasserstoffatome bilden schwache Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Molekülen. Diese Bindungen sind hochenergetisch, was zu einer höheren Oberflächenspannung für Wasser als für die meisten Flüssigkeiten führt.

Ergebnisse der Oberflächenspannung

• Oberflächenspannung bewirkt, dass sich die Oberfläche einer Flüssigkeit wie eine dünne elastische Folie verhält. Die Oberfläche dehnt sich, bis die kohäsive Kraft zwischen den Molekülen überschritten wird. Dies ist ähnlich wie eine Murmel, die auf einem gedehnten Stück Toilettenpapier schwebt. So können Insekten auf Wasser laufen. Sie üben weniger abwärts gerichtete Kraft aus, als erforderlich ist, um die Oberflächenspannung des Wassers zu durchbrechen. Oberflächenspannung bewirkt auch, dass Tropfen einer Flüssigkeit eine kugelförmige Form annehmen, was die kleinstmögliche Oberfläche darstellt.

Messung der Oberflächenspannung

• Die Oberflächenspannung einer Flüssigkeit wird in Einheiten von Kraft pro Einheit der Länge gemessen. Typischerweise werden Dyne pro Zentimeter verwendet. Dieses Maß stellt die Kraft dar, die erforderlich ist, um die Oberflächenspannung einer Flüssigkeit zu durchbrechen. Wasser hat eine Oberflächenspannung von 72,8 Dyne/cm, während Ethanol nur eine Oberflächenspannung von 22,1 Dyne/cm hat.

Wirkungen von Temperatur und Zusatzstoffen

• Die Oberflächenspannung nimmt ab, wenn die Temperatur einer Flüssigkeit steigt. Dies liegt daran, dass die kohäsiven Kräfte zwischen den Molekülen abnehmen, wenn die molekulare Aktivität zunimmt. Deshalb reinigt heißes Wasser Kleidung besser als kaltes Wasser. Die niedrigere Oberflächentemperatur des heißen Wassers ermöglicht es dem Wasser, leichter in den Stoff und den Fleck einzudringen. Zusatzstoffe wie Seife reduzieren die Oberflächenspannung von Wasser weiter, indem sie die Stärke der Wasserstoffbrückenbindungen verringern.

Verwendungen der Oberflächenspannung

• Flüssigkeiten mit höheren Oberflächenspannungen werden leicht in Aerosole umgewandelt. Dies ist wichtig für industrielle und gesundheitliche Anwendungen. Oberflächenspannung wird auch in der Industrie verwendet, um Materialformen zu erstellen. Zum Beispiel ermöglicht Blei seine hohe Oberflächenspannung, es leicht in runde Kugeln zu formen.