Physikalische Chemie
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Grundlagen der Physikalischen Chemie
W.J. Moore (übersetzt von W. Paterno)
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Physikalische Chemie Ob Elektrochemie oder Quantenmechanik, das Feld der physikalischen Chemie ist weit! Hier könnt ihr Fragen von A wie Arrhenius-Gleichung bis Z wie Zeta-Potential stellen.

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Alt 16.04.2018, 22:07   #1   Druckbare Version zeigen
Julianx Männlich
Mitglied
Themenersteller
Beiträge: 4
Frage Oberflächenmoleküle von Wasser "starrer"?

Hallo,

Nach einigen Recherchen zur Oberflächenspannung von Wasser bin ich bis jetzt auf keine Erklärung gekommen, wieso ein Zug parallel zur Oberfläche bzw. in der Oberfläche entsteht. Bereits bewusst ist mir, dass die Oberflächenmoleküle (die ersten Moleküle, die sich direkt an der Phasengrenze befinden) durch fehlende Nachbarmoleküle aufgrund entstehender Kräfteungleichgewichte senkrecht ins Wasser gezogen werden.
Jedoch erschließt sich mir daraus noch nicht, wie es zur einer verstärkten Ausbildung von Wasserstoffbrücken unter benachbarten Oberflächenmolekülen kommen soll.

Nur Folgendes konnte ich mir bis jetzt vorstellen: Da die Oberflächenmoleküle nicht die Möglichkeit haben, sich über die Oberfläche hinaus zu bewegen, sind sie in ihrer Bewegung eingeschränkt. Aus der verringerten Eigenbewegung folgt, dass die Moleküle "starrer" sind und untereinander weniger Wasserstoffbrücken aufbrechen. Liege ich damit richtig?

Ferner stellt sich mir diesbezüglich noch die Frage, ob die Moleküldichte der Oberflächenmoleküle größer ist als die Moleküldichte im Wasserinneren. Zwar würde dies die Kräftewirkung verlangen, allerdings würde wiederum die Symmetrie der Wassermoleküle unmittelbar unterhalb der Oberflächenmoleküle gestört werden. Dies würde dann einen energetisch noch ungünstigeren Zustand provozieren, was das System sicher zu vermeiden versucht.
Senkrecht zur Oberfläche ist durch den Zug nach innen ja von einer solchen Zunahme der Moleküldichte auszugehen (daher ein erhöhter Druck in einem Wassertropfen, wie ich aus einigen Quellen entnommen habe). Sofern parallel (unter den Oberflächenmolekülen) eine vergrößerte Moleküldichte bestehen sollte, ist sie dann mit der vergrößerten senkrechten Moleküldichte (unter einem nach unten drückenden Oberflächenmolekül und den senkrecht darunterliegenden Molekülen), vergleichbar groß?

Ich möchte mich für den langen Text entschuldigen. Allerdings haben sich aus einer Frage so viele weitere Fragen gestellt, dass es jetzt zu dieser Länge gekommen ist. Dennoch möchte ich um Antworten bitten
Sofern auf Literatur verwiesen wird, die mir Antworten auf meine Fragen geben, würde ich mich auch freuen!

Danke für die Rückmeldungen!

Viele Grüße,
Julian
Julianx ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 17.04.2018, 07:49   #2   Druckbare Version zeigen
cg Männlich
Mitglied
Beiträge: 1.094
Hi Julian,

die Oberflächenspannung ist ein Phänomen, das allen Phasengrenzen eigen ist. Schau die sehr große Oberflächenspannung von Quecksilber an - ganz ohne Wasserstoffbrücken oder räumlich bevorzugte Orientierung von atomaren Kräften.
Ich denke, dass Du Dich von der Vorstellung einzelner starrer Wassermoleküle lösen solltest und besser den Verband der Moleküle betrachten.
Eine höhere Dichte einer mono- oder oligomolekularen Schicht müsste sich in der Röntgenbeugung bzw. -reflektion zeigen. Modifizierte Orientierung muss nicht höhere Dichte bedeuten. Die Dichteanomalie des Wassers und des Eises deuten auf das Zusammenwirken verschiedener Phänomene in entgegengesetzte Richtung hin. Betrachte auch mal flüssiges H2S und NH3.

Freundliche Grüße
cg
cg ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 17.04.2018, 08:51   #3   Druckbare Version zeigen
Cyrion Männlich
Mitglied
Beiträge: 5.123
AW: Oberflächenmoleküle von Wasser "starrer"?

Zitat:
Zitat von Julianx Beitrag anzeigen
Nur Folgendes konnte ich mir bis jetzt vorstellen: Da die Oberflächenmoleküle nicht die Möglichkeit haben, sich über die Oberfläche hinaus zu bewegen, sind sie in ihrer Bewegung eingeschränkt. Aus der verringerten Eigenbewegung folgt, dass die Moleküle "starrer" sind und untereinander weniger Wasserstoffbrücken aufbrechen. Liege ich damit richtig?
Genau das Gegenteil ist der Fall. Wenn man die Oberfläche genauer betrachtet, so gibt es einen fließenden Übergang zwischen flüssiger Phase und Gasphase. Die Dichte nimmt nicht schalgartig (oder gar mit einem Maximum) ab, sondern einigermaßen kontinuierlich. Das (makroskopische) Modell der Oberflächenspannung hat hier also eine Grenze in dem, was es erklären kann. Für eine einfache Betrachtung dürfte der allmähliche Übergang zu komplex sein. Man kann aber davon ausgehen, dass auch die Mobilität der Moleküle mit abnehmender Dichte zunimmt.
__________________
Philippus Theophrastus Aureolus Bombastus von Hohenheim: Allein die Dosis machts, daß ein Ding kein Gift sei.

Erfahrung: Wenn es so einfach wäre, hätte es schon längst jemand gemacht
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Alt 17.04.2018, 18:52   #4   Druckbare Version zeigen
Julianx Männlich
Mitglied
Themenersteller
Beiträge: 4
AW: Oberflächenmoleküle von Wasser "starrer"?

Hallo cg,

Danke für die Antwort! Am Beispiel von Quecksilber ist die Oberflächenspannung doch aber auch auf zwischenmolekulare Kräfte zurückzuführen, die an der Phasengrenze fehlen. Im Wesentlichen handelt es sich um die gleiche Wechselwirkung wie auch bei Wasser, nur dass die Kohäsion nicht auf Wasserstoffbrücken, sondern auf noch stärkere (metallische) Bindungen zurückzuführen sind.


Dass parallel kein Kräftezug entsteht, ist für mich schlüssig (kein Nachweis bei Röntgenbegung) -Schon aus dem Grund, weil das System gerade wenig Moleküle an der Oberfläche zu halten zu versucht. Senkrecht zur Wasseroberfläche besteht allerdings dennoch ein Zug, oder (vgl. Bild)? -Experimentell schon dadurch bestätigt, dass in einem Tropen ein höherer Innendruck herrscht -"Dabei ist der Druck im Inneren eines Tropfens höher als außerhalb." https://lp.uni-goettingen.de/get/text/5060
Eine Röntgenbeugung in diesem Fall erscheint mir schwierig, da der Röntgenstrahl richtungsparallel zur Oberfläche sein und die erste/zweite Molekülebene exakt treffen müsste.

Die Vorstellung einzelner starrer Moleküle beziehe ich nur auf die Oberflächenmoleküle. Ohne diese Vorstellung kann ich mir noch nicht erschließen, wieso die Oberflächenspannung trotz permanenten Molekülaustauschs zwischen Oberfläche und Wasserinneres stabil bleibt (Beim Umrühren/Dispergien wird die Oberflächenspannung doch genau dadurch gestört). Wie ist das zu erklären?

LG, Julian
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Alt 17.04.2018, 19:14   #5   Druckbare Version zeigen
Julianx Männlich
Mitglied
Themenersteller
Beiträge: 4
AW: Oberflächenmoleküle von Wasser "starrer"?

Zitat:
Zitat von Cyrion Beitrag anzeigen
Für eine einfache Betrachtung dürfte der allmähliche Übergang zu komplex sein.
Hallo Cyrion, auch bei dir möchte ich mich für deinen Beitrag bedanken. Wie sieht es aus, wenn man anstelle der Oberflächenspannung die Grenzflächenspannung zwischen Wasser und einer hydrophoben Oberfläche betrachtet? Hier findet der Übergang in die Gasphase ja keine Berücksichtigung. Kann ich in diesem Fall davon ausgehen, dass sich die Wassermoleküle an der Phasengrenze langsamer als an einer hydrophilen Oberfläche bewegen? -Auch hier unter Berücksichtigung, dass erst Umrühren/Dispergieren eine erhöhte Beweglichkeit der Wassermoleküle herbeiführt, welche die Grenzflächenspannung stört.

"Tangential zur Oberfläche wirkt dabei eine Zugspannung" https://lp.uni-goettingen.de/get/text/5060 Ferner besteht der Zug nach innen weiterhin. Insofern sollten die wirkenden Kräfte die Bewegung der Wassermoleküle doch einschänken, oder? Und wie ist dabei die parallele Zugspannung, wie sie im Zitat in den Raum gestellt wird, molekular zu erklären?

LG, Julian
Julianx ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 18.04.2018, 08:06   #6   Druckbare Version zeigen
cg Männlich
Mitglied
Beiträge: 1.094
AW: Oberflächenmoleküle von Wasser "starrer"?

Hi Julianx,

bei flüssigem Hg würde ich nicht von metallischer Bindung ausgehen, sonst wäre es fest wie die im PSE benachbarten Metalle.
Die polaren Wechselwirkungen zwischen den Wassermolekülen sind auch lange nicht so stark wie ionische Bindungen. Wie schon geschrieben, da wirken verschiedene Effekte gegenläufig.
Mit Röntgenbeugung kann man den Abstand zwischen Atom- bzw. Molekülschichten messen. Damit wird man auch eine Flüssigkeitsoberfläche charakterisieren können. Die Röntgenstrahlung wird in einem Winkel reflektiert, der vom Abstand der Atom- bzw. Molekülebenen und der Wellenlänge der Strahlung abhängt. Keineswegs bei Strahlen, die parallel zur Oberfläche geführt werden. Stchworte dazu: Bragg, Laue.

Freundliche Grüße
cg
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Stichworte
kohäsion, oberfläche, oberflächenspannung, wasser

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