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Warum hat Wasser eine Oberflächenspannung? – Aufklärung

  • by Anatoli Bauer

Den meisten ist bekannt, dass Wasser aus Molekülen besteht. Diese besitzen jeweils ein Sauerstoffatom und zwei Wasserstoffatome. Wasser ist ein Stoff mit ganz besonderen Eigenschaften. Für die Natur, Menschen und Tiere sind diese Eigenschaften von herausragender Bedeutung. Eine dieser Eigenschaften ist die Oberflächenspannung.

Was ist die Oberflächenspannung von Wasser?

Vorstellen lässt sich die Oberflächenspannung als leichter Film auf einer Wasseroberfläche oder hauchzarte Schicht, die aber doch so fest ist, dass zum Beispiel sehr leichte und entsprechend gebaute Tiere darauf laufen können.

Warum gibt es die Oberflächenspannung bei Wasser?

Um die Oberflächenspannung von Wasser zu verstehen, ist es wichtig, sich zu verdeutlichen, wie das Wassermolekül aufgebaut ist und wie Wassermoleküle interagieren.

Kovalente Bindung von Wassermolekülen

Drei Atome im Wassermolekül, zweimal Wasserstoff und einmal Sauerstoff, sind kovalent miteinander verbunden. Eine kovalente Verbindung ist eine extrem starke chemische Bindung. Einfach ausgedrückt, teilen sich die Atome bei dieser Bindungsform Elektronen, die sich in ihren äußeren Bereichen aufhalten. Kovalent verbunden, erreicht jedes Atom im Molekül einen Zustand, der von Materie generell angestrebt wird, nämlich einen vergleichsweise sehr stabilen Zustand.

Das Wassermolekül ist ein Dipol

Die Elektronen, die sich die Atome im Wassermolekül teilen, sind im Molekül nicht gleich verteilt. Im Mittel sind sie stärker zum Sauerstoffatom hingezogen, da das Sauerstoffatom einen viel positiveren Kern hat als die Wasserstoffatome und Elektronen eine negative Ladung haben. Entgegengesetzte Ladungen ziehen sich an. Der Atomkern des Sauerstoffs zieht gemeinsame negative Elektronen im Mittel stärker an als die positiven Kerne der Wasserstoffatome Elektronen im Molekül an sich ziehen.

Wassermolekül als polares, kovalent gebundenes Molekül

Aufgrund der ungleichen Verteilung von Elektronen im Wassermolekül ergibt sich im Bereich des Sauerstoffatoms im Mittel eine leicht negative elektrische Ladung, im Bereich der Wasserstoffatome jeweils eine leicht positive. Dies sind Teil- oder Partialladungen.

An den Enden eines Wassermoleküls bilden sich in der Folge elektrisch zwei entgegengesetzt geladene Bereiche aus. Das Wassermolekül ist ein Dipol, vorstellbar als kleiner Magnet. Diese Polarität entscheidet maßgeblich darüber, wie ein Wassermolekül mit anderen Molekülen interagiert.

Wasserstoffbrückenbindung zwischen Wassermolekülen

Viele Moleküle Wasser bilden unter bestimmten physikalischen Bedingungen, etwa hinsichtlich Temperatur oder Druck, flüssiges Wasser. Die Moleküle wechselwirken. Aufgrund ihrer Polarität tun sie dies auf bestimmte Weise. Schwach negative Bereiche (Sauerstoffatome) werden von schwach positiv geladenen Bereichen anderer Wassermoleküle (Wasserstoffatome) angezogen. Bezeichnet wird diese Anziehung zwischen Sauerstoffatomen des einen und Wasserstoffatomen des anderen Moleküls als Wasserstoffbrücke. Die Wasserstoffbrücke beruht auf den Teilladungen innerhalb der Wassermoleküle.

Wasserstoffbrücken im Wassermolekül

Trotz der Wasserstoffbindungen zwischen einzelnen Wassermolekülen können sich Moleküle im flüssigen Wasser bewegen. Wasserstoffbrücken werden an einer Stelle gebildet und zerfallen an anderer Stelle – ein kontinuierlicher Vorgang. Wasserstoffbrücken sind viel schwächer als kovalente Bindungen. Kommen jedoch viele Moleküle zusammen und werden im Mittel viele Wasserstoffbrücken ausgebildet, können Wasserstoffbrücken gemeinsam bedeutende Stärke erlangen.
Die Anziehungskraft im Inneren der Flüssigkeit Wasser heben sich gegenseitig auf, auf jedes Wassermolekül wirken sie im Mittel von allen Seiten gleichermaßen.

Oberflächenspannung

Über die Wasserstoffbrücken „haften“ einzelne Wassermoleküle in flüssigem Wasser quasi aneinander. Wassermoleküle, die sich an der Grenzfläche zu Luft befinden werden stärker zu anderen Molekülen im Wasser hingezogen als sie von Luftmolekülen angezogen werden. Sie werden stärker nach innen, zur Flüssigkeit hin hingezogen. Die Anziehungskräfte zwischen Luftteilchen und Wassermolekülen sind im Vergleich mit den starken Wasserstoffbrücken zwischen den Wassermolekülen wesentlich geringer.
Aufgrund dieser Tatsache entsteht an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit (Wasser) und Gas (Luft) eine Oberflächenspannung. Sie wird auch als Grenzflächenspannung bezeichnet. Dies lässt sich im Alltag beobachten.

Wo zeigt sich die Oberflächenspannung im Alltag?

An Seen oder Teichen lassen sich Tiere, etwa Wolfsspinnen oder Wasserläufer beobachten, die auf der Wasseroberfläche laufen. Die Oberflächenspannung an der Grenzfläche Wasser-Luft ist groß genug, um die sehr leichten Tiere zu halten.

Ein Trinkglas lässt sich vorsichtig etwas über den Rand mit Wasser füllen. Es bildet sich ein kleiner Wasserhügel über der oberen Glasöffnung.

Wassertropfen, die zum Beispiel von einem Blatt durch die Luft zu Boden fallen, bilden die typische Tropfenform aus, die fast kugelförmig ist.

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