Tropfnass?

Die Kohäsions- und Adhäsionskräfte zwischen den Teilchen haben spannende Auswirkungen. Die Phänomene die mit Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Phasen erklärt werden können, reichen von Insekten, die auf dem Wasser laufen können, bis zu Wasser, das in Röhrchen ganz von selbst hochsteigt.

Arbeitsmittel

Kohäsionskraft und Adhäsionskraft

Die Summe der anziehenden (elektromagnetischen) Kräfte, die zwischen den Teilchen eines Stoffes wirken, werden zusammenfassend als Kohäsionskräfte (Kräfte für den Zusammenhalt) bezeichnet. Sie halten die Teilchen zusammen und geben Wassertropfen, aber auch Feststoffen ihre Form. In Festkörpern wirken sie sehr stark, in Flüssigkeiten weniger stark und in Gasen am geringsten.

Ein kreisrunder fallender Wassertropfen
Die Kohäsionskraft zwischen den Teilchen im Wasser gibt dem Wassertropfen seine Kugelform.

Wirken diese anziehenden Kräfte zwischen den Teilchen verschiedener Stoffe (Phasen), nennt man sie Adhäsionskräfte (Kräfte für das Anhaften). Beispiele dafür findest du viele im Alltag: Das Verbinden von Stoffen mit Klebeband (Leim und andere Kleber), aber auch der Grafit vom Bleistift der am Papier oder die Kreide die an der Tafel haftet.

Wassertropfen auf einer Glasscheibe. Dahinter sieht man ein Zeitung mit dem Wort „Wissenschaft“ durchscheinen.
Kohäsion und Adhäsion

Die Adhäsionskraft zwischen Wasser und Kunststoff ermöglicht die Haftung auf der Acrylglasscheibe.

Grenzflächenspannung

Verschiedene Stoffe, die sich berühren, aber nicht vermischen, werden Phasen genannt (z. B. Wasser und Eis, Wasser und Luft, Wasser und Glas und Luft, Essig und Öl). Die Flächen zwischen den Phasen nennt man Phasengrenzen. Innerhalb einer Phase wirkt die Kohäsionskraft auf die Teilchen, und zwar von allen Richtungen gleich, weil jedes Teilchen rundherum von vielen gleichen Teilchen umgeben ist. An den Phasengrenzen ist das anders. Hier sind die Teilchen nicht mehr rundherum von gleichen Teilchen umgeben und spannende Phänomene können beobachtet werden:

Seifenblasen
Wassertropfen und Seifenblasen haben kugelige Formen.
Wassertropfen auf einem Blatt
Je nach Oberflächen, perlt Wasser manchmal ab und manchmal nicht.
Wasserläufer
Die Wasserläufer können auf der Wasseroberfläche laufen, ohne unterzugehen.
Nasse Jeans, die sich von unten auf mit Wasser ansaugen
In dünnen Glasröhrchen steigt Wasser nach oben. Auch in deinem Hosenbein, wenn du im Nassen stehst.
Lotuseffekt auf einem grünen Blatt
Kugelige Wassertropfen säubern die Blätter mancher Pfanzen (Lotuseffekt).

Das alles passiert an den Grenzflächen zwischen den Phasen. Daher werden die Kräfte die dafür verantwortlich sind Grenzflächenspannung genannt.

Oberflächenspannung

Betrifft diese Grenzflächenspannung eine Grenze zwischen Flüssigkeit und Gas, wird von Oberflächenspannung gesprochen.

Was fällt dir bei dieser Zeitlupenaufnahme des fallenden Tropfens auf?

Fallender Wassertropfen

Der fallende Wassertropfen hat die Form einer Kugel. Warum? Kugeln haben von allen Formen die du dir vorstellen kannst das günstigste Verhältnis von Oberfläche zu Volumen. Das bedeutet, bei einem fixen Volumen sind bei einer Kugel die wenigsten Teilchen an der Oberfläche.

Für die Wassermoleküle ist es vorteilhafter von anderen Wassermolekülen, als von Luft umgeben zu sein. Alle Abweichungen von der Kugelform passieren von selbst nur, wenn es einen energetischen Vorteil gibt. Die Oberflächenspannung ist immer eine Wechselwirkung zwischen den verschiedenen Phasen. Hier zwischen Wasser und Luft.

Wenn sich der Wassertropfen auf einer Oberfläche (z. B. Papier, Glas, Kunststoff, Blatt einer Pflanze) befindet, kommt eine dritte Phase dazu. Je nachdem wie günstig die neue Oberfläche für den Wassertropfen ist, spricht man von hydrophilen (wasserliebenden), hydrophoben (wasserhassenden) oder sogar superhydrophoben Oberflächen. Auf wasserliebenden Oberflächen (z. B. Glas) breitet sich der Tropfen sehr flach aus. Je weniger wasserliebend die Oberfläche ist, desto kugeliger wird der Tropfen (z. B. auf vielen Kunststoffen). Manchmal, bei ganz besonderen Oberflächenstrukturen, bilden Wassertropfen fast perfekte Kugeln (superhydrophob), wie zum Beispiel auf den Blättern der Lotuspflanze.

Lotuseffekt auf der Kapuzinerkresse
Den Lotuseffekt gibt es bei vielen Pflanzen, hier bei der Kapuzinerkresse.

Auch der Wasserläufer macht sich hydrophobe Oberflächen zunutze. Mithilfe der Oberflächenspannung und Härchen auf seinen Beinen, die extrem fein, kurz und hydrophob sind, läuft er flink auf der Wasseroberfläche umher.

Wasserläufer
Wasserläufer

Hydrophil oder hydrophob

hydrophil hydrophob superhydrophob

Kapillareffekt

Hydrophile oder hydrophobe Oberflächen spielen auch beim Kapillareffekt eine große Rolle.

Glas Plastik Zwei Strohhalme in einem Wasserglas. Im Glasstrohhalm steigt das Wasser nach oben, im Plastikstrohhalm wird es nach unten gedrückt.
Kapillareffekt im Wasserglas

Die Abbildung zeigt zwei Trinkhalme in einem kleinen Wasserglas. Im hydrophilen Trinkhalm aus Glas (links) steht das Wasser höher, im hydrophoben Trinkhalm aus Kunststoff (rechts) steht das Wasser niedriger als der Wasserspiegel im Wasserglas.

Man kann erkennen, wie sich das Wasser am Glas seitlich hochzieht und dabei eine Wölbung (Meniskus) bildet.

Je kleiner der Durchmesser des Röhrchens, umso stärker ist der Kapillareffekt, weil sich das Verhältnis zwischen Oberfläche und Volumen auch mit der Größe eines Objekts ändert. Der Kapillareffekt sorgt für das Hochsteigen von Wasser bis in die Spitze der Bäume, für das Aufsaugen von Flüssigkeiten durch Filterpapier, Putzschwämme, Küchenrollen, Hosenbeine ...

Glasröhrchen Kunststoffröhrchen Kapillarröhrchen
Kapillarröhrchen
8. Tropfnass?
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