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Die Oberflächenspannung von Wasser anschaulich erklärt

Können Sie gut schätzen? Dann nehmen sie sich ein randvoll mit Wasser gefülltes Glas und einige Münzen. Wieviele Münzen können Sie vorsichtig (!) in das Glas gleiten lassen, bevor es endlich überläuft? Nach etlichen Münzen wölbt sich das Wasser bedenklich über den Rand, aber es läuft nicht über. Grund für den ansehnlichen Berg ist die für Wasser relativ große Oberflächenspannung.

Ein Wasserläufer lebt auf der Wasserhaut.
Ein Wasserläufer lebt auf der Wasserhaut.

Wasser hat eine Haut

  • Die Oberfläche von Wasser erweckt den Eindruck einer dünnen, gespannten Haut. Diese Haut überzieht das Wasser wie eine elastische Tüte oder Folie. Ihr subjektives Gefühl wird von der Oberflächenspannung des Wassers bewirkt.
  • Sie sorgt dafür, dass sogar Metallteile wie Büroklammern, Nähnadeln oder Rasierklingen, die normalerweise schwerer als Wasser sind (korrekt muss es "dichter" heißen), auf dem Wasser schwimmen können. Bei genauem Hinsehen können Sie sogar kleine Dellen in der "Oberflächenfolie" erkennen.

Die Oberflächenspannung ist ein Maß für die Molekularkräfte

Im Wasser ziehen sich die einzelnen Wasserteilchen durch Molekularkräfte gegenseitig an. Sie sorgen dafür, dass das Wasser nicht einfach auseinander fällt, sondern ein kompaktes Gebilde, eine Flüssigkeit eben, bildet. Bei Wasser sind dies übrigens die elektrischen Kräfte zwischen den Molekülen.

  • Auf die Wasserteilchen, die sich in der Flüssigkeitsmitte befinden, wirken von allen Seiten die gleichen Kräfte der benachbarten Teilchen. Gelangt ein Teilchen aber in die Nähe der Oberfläche oder gar an die Oberfläche selbst, erfährt es, dank seiner Nachbarn, eine ins Flüssigkeitsinnere gerichtete Kraft. Diese Kraft hält es, von verdunstenden Molekülen einmal abgesehen, in der Flüssigkeit und sorgt für die Oberflächenspannung.
  • Aus diesen Überlegungen können Sie Folgendes schließen: Die Größe der Oberflächenspannung, grob gesprochen die Elastizität der Folie, hängt von der Natur der Flüssigkeit und dem darüber befindlichen, anderen Stoff (oft Luft) ab. Zusätzlich sind die Kräfte natürlich temperaturabhängig.
  • Jede Flüssigkeit, nicht nur Wasser, hat eine Oberflächenspannung. Grenzt diese Flüssigkeit wie im Beispielfall "Wasser" nicht an Luft, sondern an ihre eigene gasförmige Phase, hier Wasserdampf, spricht man von Grenzflächenspannung. Auch bei der bekannten Meniskusbildung in dünnen Röhrchen spielen solche Grenzflächenkräfte eine Rolle.

Oberflächenspannung ist eine physikalische Größe

Physikalisch ist die Oberflächenspannung definiert als die Arbeit, die erforderlich ist, um die Oberfläche einer Flüssigkeit um ein Quadratmeter zu vergrößern. Entsprechend wird sie in der Einheit Joule pro Quadratmeter (J/m²) gemessen.

  • Der Kraftaufwand, den Sie für das Vergrößern der Oberfläche benötigen, wird tatsächlich mit kleinen mit Flüssigkeit benetzten Bügeln und Federwaagen gemessen.
  • Wenn Sie sich die Werte für die Oberflächenspannung in Tabellen ansehen, stellen Sie fest: Wasser hat bei 20 °C von allen Flüssigkeiten mit 0,073 N/m den höchsten Wert, ausgenommen Quecksilber, das jedoch als flüssiges Metall einen Ausnahmefall darstellt.

Warum macht Seife sauber?

Seifen und Tenside, Spül- und Waschmittel sollen selbstredend Schmutz lösen und mit dem Wasser abtransportieren. Aber wie machen sie das?

  • Seifenlösung (und Alkohole) haben geringere Werte der Oberflächenspannung als Wasser. Dies liegt vor allem daran, dass die Wassermoleküle durch ihren Dipolcharakter und ihre vernetzte Struktur bei der Wasserbildung auch zu einer besonders starken Anziehungskraft zwischen den Oberflächenmolekülen beitragen. Keiner anderen Flüssigkeit gelingt das so perfekt.
  • Schon kleinste Verunreinigungen wie Seife oder Spülmittelreste setzen die Oberflächenspannung des Wassers herab. Seifenlauge, die Sie für Seifenblasen benutzen, fühlt sich "irgendwie weich" an. Und das ist ja auch gewünscht. Zunächst einmal kann die weichere Seifenlösung Fasern oder auch Geschirr besser benetzen und so den Schmutz aufweichen.
  • Zudem haben Seifenmoleküle ein polares und ein unpolares Ende. Dadurch können Sie den Kontakt zwischen Wasser und ölhaltigen Verschmutzungen vermitteln. Die Seifenmoleküle bilden kugelige Gebilde, in deren Innerem die Fettmoleküle gebunden werden. Diese auch Mizellen genannten Kügelchen werden dann samt Schmutz ausgespült.

Wasserläufer leben auf der Wasseroberfläche

Für viele Insekten wird Wasser zur Falle. Der bekannte Wasserläufer jedoch ist ein räuberisches Insekt, das einen ungewöhnlichen Lebensraum besiedelt: die Grenze zwischen Luft und Wasser, also die Wasserhaut.

  • Mit seinen langen Beinen flitzt er fast schwebend auf der Wasserhaut herum und natürlich seiner Beute hinterher. Dabei können Sie beobachten, dass die aufliegenden Beine kleine Dellen in die Flüssigkeitsoberfläche drücken. Die Wasserhaut wird berührt, aber nicht durchbrochen.
  • Und auch beim Beutefang macht sich das Tier die Oberflächenspannung zunutze. Ins Wasser gefallene Insekten zappeln nämlich und schlagen dabei Wellen. Es handelt sich um sogenannte Kapillarwellen oder Kräuselwellen, die nur aufgrund der Oberflächenspannung entstehen. Diese winzigen Wellen kann der Wasserläufer mit seinen feinen Sinnesorganen an den Beinen wahrnehmen und orten.
  • Selbstredend klappt das alles nur, wenn das Wasser sehr sauber und frei von Seifenrückständen ist. Gibt man ein klein wenig Spülmittel ins Wasser, geht der arme Kerl hoffnungslos unter.

Sie sehen: Oberflächenspannung ist ein Begriff, der zunächst nur nach Wissenschaft aussieht. Diese Größe gibt nämlich indirekt Auskunft darüber, wie gut Moleküle durch Kräfte in eine Flüssigkeitoberfläche eingebunden sind. Aber schon das Beispiel "Seife" zeigt, dass ein geschickter Umgang mit der Oberflächenspannung für gute Waschergebnisse sorgt. Und nicht zuletzt wäre jeder Wasserläufer ohne diese feine Wasserhaut heimatlos.

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