Versuch - Wasser Oberflächenspannung

YouTube Video (Opens in a new window)

Was braucht ihr?

Büroklammer; 1-2 Gläser; 15-20 Münzen oder Unterlegscheiben; Spülmittel; Speiseöl; ein Messer; optional eine Rasierklinge

Worum geht es?

Wasser hat viele aufregende Eigenschaften - hier wollen wir die Oberflächenspannung einmal genauer unter die Lupe nehmen. Jeder kennt Wassertropfen, die kugelförmig auf Blättern zu sehen sind oder Regentropfen, die an der Fensterscheiben verbleiben und nicht nach unten abfließen. Verschüttetes Wasser auf dem Tisch läuft ja auch nicht sehr weit auseinander, sondern es bilden sich kleiner Pfützen und das Wasser bleibt stehen. Warum ist das so?

Versuchsablauf

Füllt ein Glas mit Wasser bis zum Rand. Lasst dann nacheinander vorsichtig Münzen in das Glas gleiten - der Wasserspiegel steigt und es entsteht eine Wölbung über den Glasrand hinaus. Das Glas ist voller als voll - wie kann das gehen?

Lasst vorsichtig vom Glasrand aus eine Büroklammer oder eine Rasierklinge auf die Wasseroberfläche gleiten - beides wird schwimmen, obwohl z.B. die Büroklammer sofort untergeht, wenn man sie mit der Spitze voran von oben in das Glas gleiten lässt - könnt ihr ja auch mal ausprobieren. Insbesondere bei der Büroklammer sieht man, wie die Wasseroberfläche von deren Gewicht regelrecht eingedrückt wird.

Was kann man beobachten?

Die Büroklammer liegt tiefer als der Wasserspiegel - je voller das Glas ist, desto besser kann man es von der Seite aus beobachten. Ölt man die Büroklammer vorher etwas ein, ist der Effekt noch stärker. Die Büroklammer geht nicht unter, sondern sie schwimmt auf der Oberfläche.

Was steckt dahinter?

Es wirkt etwas am Rand der Wasserfläche das Oberflächenspannung heißt - Es wirkt also eine Kraft, die das Wasser in Form halten will - man kennt das auch von Regentropfen, die sich einer Kugelform annähern. Diese Spannung führt dazu, dass Gegenstände die aufgrund ihres spezifischen Gewichtes untergehen würden auf der Wasseroberfläche schwimmen können.

Wassermoleküle sind innerhalb ihres Verbundes sehr beweglich - kommen sie einem anderen Wassermolekül sehr nahe, stoßen sich die beiden ab- vergrößert sich die Entfernung, ziehen sie sich wieder an. Dieses Anziehen und Abstoßen gleicht sich innerhalb des Wassers aus, da die Wassermoleküle immer komplett von anderen Molekülen umgeben sind - Anziehen und Abstoßen heben sich somit auf. Nähert man sich von unten der Wasseroberfläche, fehlen die darüberliegende Schichten, um einen Ausgleich auszuführen. Die oberen Moleküle ziehen sozusagen nur nach unten - der Partner der nach oben zieht fehlt. Daraus ergibt sich eine resultierenden Kraft in Richtung nach unten. In der Schwerelosigkeit passiert dies am ganzen Außenrand - das bewirkt letztendlich die Kugelform, da die Kugel im Vergleich zum Volumen die kleinste Oberfläche hat.

Der ganze Rand zieht nach innen und der Tropfen wird rund.

Die Oberflächenspannung verleiht dem Wasser am Rand eine gewisse Stabilität -  dadurch die Fähigkeit die Büroklammer, die Rasierklinge oder den Wasserläufer tragen zu können.

Wo kann man das in der Natur beobachten?

An einem See oder einem Gartenteich kann man ab und zu Wasserläufer beobachten - dies sind kleine Insekten, die auf dem Wasser laufen können - sie sind sehr leicht und haben spezielle Beine die es ihnen ermöglichen, auf der Wasseroberfläche mühelos und schnell umherzulaufen. Dies verschafft diesen kleinen Raubtieren einen entscheidenen Vorteil gegenüber ihrer Beute, die nämlich zu schwer ist und beim landen in das Wasser eingetaucht sind. Bevor sie ganz untergehen zappeln diese Insekten und so wird der Wasserläufer auf sie aufmerksam und findet zu seiner Beute.

Schaut doch mal nach den nächsten Regen bei euch im Garten, auf dem Balkon oder in einer Grünanlage auf die Blätter. Da findet ihr bestimmt einige dicke Tropfen, die ihr "leben" alleine der Oberflächenspannung zu verdanken haben.

Zusatz Versuch

Mit einer Pipette, einem dünnen Strohhalm oder der Rückseite eines Löffels kann man kleine Wassertropfen auf eine glatte Oberfläche setzen - diese Tropfen behalten ihre Form und stehen wie eine etwas abgeflachte Halbkugel nebeneinander. Auch hier wirkt die Oberflächenspannung und verhindert das Zerlaufen der Tröpfchen.

Dies gilt auch für kleinste Tröpfchen. Möchte man etwas waschen - z.B. einen Pulli - ist es recht problematisch wenn die Tropfen hartnäckig ihre Form behalten wollen und damit nicht in das Gewebe des Pullovers eindringen, um den Schmutz auch in den tieferen Schichten erreichen zu können. Man benötigt also etwas, das die Oberflächenspannung auflöst und das Wasser noch flüssiger macht - dies erledigt Seife oder Waschmittel. Streut mal in die Gläser mit der Büroklammer oder der Rasierklinge ein paar Körnchen Waschpulver oder einige Topfen Spülmittel, löst sich nach kürzester Zeit die Oberflächenspannung auf und die Klammer oder die Klinge gehen unter - denn schwimmen können sie ja eigentlich nicht - sie verdrängen ja weniger als sie wiegen ( s. Versuch warum schwimmen Schiffe )

Dem Wasserläufer wollen wir diese Schicksal ersparen - aber auch er würde untergehen.

Wasser ist ein weit verbreitetes Element, mit dem man täglich ganz oft in Berührung kommt - trotzdem hat es erstaunliche, unerwartete Eigenschaften, die man entdecken und erforschen kann, wenn man etwas genauer hinsieht.

Was habt ihr gelernt?

Wasser hat eine Oberflächenspannung - diese verleiht dem Wasser einige seiner typischen Eigenschaften - es bildet Tropfen, läuft nicht weit auseinander und trägt sogar Büroklammern oder kleine Tiere, ohne dass diese untergehen.

Diese gilt übrigens auch für andere Flüssigkeiten z.B. auch für flüssige Metalle - früher hat man  Gewhrkugeln hergestellt, indem man flüssiges Metall in einem hohen Turm nach unten tropfen lies - bis dieser Tropfen unten ankam war das Metall soweit abgekühlt, dass er fest war. Die Oberflächenspannung hat den Tropfen während des Fallens zur Kugel geform