Oberflächenspannung

 

Das Staunen ist eine

Sehnsucht nach Wissen

[Thomas von Aquin (1225-1274), italienischer Philosoph und Theologe]

Wer hat beim Herstellen einer Salatsauce nicht schon bemerkt, dass Öl andere Tropfen bildet als Essig. Das Öl ist viel zäher als Essig, der Tropfen wird grösser.

 

Tropfen[1] sind kleine Flüssigkeitsmengen, die durch die Oberflächenspannung Kugelgestalt zu erhalten suchen. Die Grösse der Tropfen (das Volumen) ist abhängig von Dichte, Ober­flächen­spannung und Adhäsion (beispielsweise an der Tropfspitze) der betreffenden Flüssigkeit sowie der Öffnungsweite des Tropfen -Ausflusses. So entspricht beim Austreten aus einem spezifizierten Tropfenzähler 1 g folgender Substanzen der jeweiligen Anzahl Tropfen (in Klammern Gewicht des Tropfen in mg): Diethylether 88 (11), 96%iges Ethanol 63 (16), Benzin 86 (12), Glycerin 24 (42), Paraffin 50 (20), Wasser 20 (50), Ammoniak-Lösung 23 (43), Chloroform 58 (17), Leinöl 42 (24), Olivenöl 48 (21). Für Alkohole gilt: Je länger ein Alkohol, desto grösser ist die Oberflächenspannung bei gleicher Konzentration[2].

 

Dieses einfache Experiment zeigt uns anschaulich, wie die Ober­flächenspannung im Alltag in Erscheinung treten kann.

Die Oberflächenspannung rührt daher, dass Teilchen im Innern (a) und an einer Oberfläche (b) mit ihrer Umgebung eine andere Struktur von intermolekularen Bindungen eingehen. Bei Teilchen a gleichen sich alle Kräfte aus, was bei Teilchen b nicht der Fall ist. Der durch die Oberfläche verursachte, nicht ausgeglichene Teil der Kräfte, ist für die Oberflächenspannung verantwortlich.

 

Abbildung 63: Tropfengrösse und Tropfenzahl als Hinweis auf die Oberflächenspannung verschiedener Substanzen

 

Was mit Öl und Essig im Alltag erfahren wird, ist durch diese Messungen bestätigt. Genauere Werte von Oberflächenspannungen können in Tabellenwerken gefunden werden. Wasser, unser "Lebenselixier" zeigt auch hier eine Sonderstellung.

 

Tabelle 10 : Oberflächenspannung

Substanz	Formel	Molmasse g/mol	Oberflächenspannung[3] J/m2
Wasser	H2O	18	7.3 Ÿ 10-2
Kohlendioxid	CO2	44	1.2 Ÿ 10-3
Pentan	C5H12	72	1.6 Ÿ 10-2
Glycerin	C3H8O3	92	6.3 Ÿ 10-2
Chloroform	CHCl3	119	2.7 Ÿ 10-2

 

Die von der Oberflächenspannung verur­sachte Kapillarwirkung hat ebenfalls eine chemische Ursache. So sind die Kräfte der Flüssigkeitsmoleküle in einem Rohr sowohl gegen die Oberfläche, wie auch gegen die Wände anders als gegen die Flüssigkeit selbst - die Folge davon sind die Kapillarkräfte.