Allgemeine Chemie
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Alt 23.05.2010, 15:17   #1   Druckbare Version zeigen
shipwater Männlich
Mitglied
Themenersteller
Beiträge: 2.038
Oberflächenspannung

Hallo,

ich bin gerade dabei mir Gedanken über die Ursache der Oberflächenspannung zu machen. Also bisher habe ich dies so aufgefasst, dass die Wassermoleküle sich gegenseitig relativ stark anziehen (Wasserstoffbrücken). Wenn ich jetzt ein Wassermolekül in mitten einer Wassermenge betrachte dann wird dieses von allen Seiten her angezogen. Ein Wassermolekül an der Oberfläche jedoch kann dann nicht mehr von oben angezogen werden, sondern wird nur von unten und den Seiten angezogen. Soweit habe ich das verstanden. Inwiefern diese Tatsache nun aber zu einer Oberflächenspannung führt kann ich nicht nachvollziehen. Vielleicht mag mir ja einer auf die Sprünge helfen.

Vielen Dank,

Gruß Shipwater
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Alt 23.05.2010, 19:12   #2   Druckbare Version zeigen
magician4 Männlich
Mitglied
Beiträge: 6.876
AW: Oberflächenspannung

stell dir vor du nimmst einem wassermolekuel, welches sich zuvor in eben deiner ideal-allseitigen umhuellung befand, ploetzlich alle partner an einer seite weg

dadurch ist das kraeftegleichgewicht gestoret, und zwar ueberall dort wo du oberflaeche frisch "herstellst": das teilchen verspuert ploetzlich eine nach innen gerichtet kraft, und gegen diese kraft musstest du die oberflaeche eben zunaechst generieren und dabei arbeit verrichten.

willst du nun einen gegenstand in eine plane oberflaeche von z.b. wasser hineindrucken, entsteht dort zwangslaeufig eine delle (mit lokal noch mehr oberflaeche als zuvor). diese zusaetzlich oberflaeche zu schaffen musst du also nochmehr energie aufwenden, denn "wasser haelt dagegen", will plan bleiben

es wirkt also daher so als sei die wasseroberflaeche etxtrem straff gespannt, weshalb der effekt in der physik den namen "oberflaechenspannung" bekam

gruss

ingo
magician4 ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 23.05.2010, 19:54   #3   Druckbare Version zeigen
Shock Männlich
Mitglied
Beiträge: 132
AW: Oberflächenspannung

Dieses Bild erklärt eigentlich sehr verständlich, wie es zur Oberflächenspannung kommt!



Das Wassermolekül im Inneren wird von all seinen Partnern gleich angezogen, deswegen ist es kräftemäßig ausgeglichen.
Das am Rand hingegen wird nur einseitig angezogen, eine nach innen gerichtete Kraft resultiert daraus!
__________________
Ich versuche zu helfen, sogut es geht, aber ich erhebe keinen Anspruch auf Richtigkeit! :)
Shock ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 23.05.2010, 20:54   #4   Druckbare Version zeigen
shipwater Männlich
Mitglied
Themenersteller
Beiträge: 2.038
AW: Oberflächenspannung

Ok erst einmal vielen Dank euch beiden.
Aber die resultierende Kraft eines sich an der Oberfläche befindenden Wassermoleküls ist doch "nach unten" gerichtet. Logischer würde es mir erscheinen, wenn diese "nach oben" gerichtet wäre. Weil dann würde sie ja der Gewichtskraft des aufliegenden Körpers entgegengesetzt sein. Kurz, ich kann also nicht verbinden, wie diese nach unten wirkende resultierende Kraft verhindern kann, dass zum Beispiel eine Büroklammer untergeht.

Gruß Shipwater
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Alt 23.05.2010, 21:15   #5   Druckbare Version zeigen
magician4 Männlich
Mitglied
Beiträge: 6.876
AW: Oberflächenspannung

dann nimm doch mal die rechte skizze "oberflaechen-kraefte diagramm" im posting von Shock: du siehst direkt "unter" der oberflaeche zwei einander entgegengesetzte kraftpfeile, die sich exakt wegnullen (x- und minus x-richtung).

und nun zieh das ganze mal etwas runter (d.h. mach gedanklich ne delle in die oberflaeche), sodass die pfeile trotzdem tangential zur oberflaechenkurve bleiben. wenn du an diesen neuen kraftpfeilen nunmehr wieder eine vektorzerlegung machst, siehts du dass die ploetzlich eine komponente in +y richtung haben die nicht in irgendwelchen vektoradditionen zu null kompensiert wird --> das ist deine "rausdrueckende" kraft


gruss

ingo
magician4 ist offline   Mit Zitat antworten
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Alt 23.05.2010, 21:39   #6   Druckbare Version zeigen
shipwater Männlich
Mitglied
Themenersteller
Beiträge: 2.038
AW: Oberflächenspannung

Hi,

ich weiß nicht, ob ich deine Aussage richtig erfasst habe, deswegen habe ich einfach mal eine Skizze dazu angehangen. Meintest du das so?
Müssten sich dann nicht aber rote und blaue Resultierende kompensieren bzw. entgegenwirken?

Gruß Shipwater
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Alt 24.05.2010, 04:20   #7   Druckbare Version zeigen
magician4 Männlich
Mitglied
Beiträge: 6.876
AW: Oberflächenspannung

die rote hattest du auch vorher schon!

die blaue hingenen tritt zusaetzlich, mithin neu auf (siehe wiederum shocks skizze)

ausserdem weitet sich der winkel "untere kugel rechts, kugel oben mitte, untere kugel links" auf, wodurch die rote auch noch kuerzer (= schwaecher) wird
--> ab einer bestimmten tiefe der delle wird das ganze komplett repulsiv, da dann blau laenger ist als rot
--> je tiefer die delle desto tragfaehiger das ergebnis

auf sowas kommt ein wasserlaeufer dann prima klar



gruss

ingo
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Alt 24.05.2010, 11:22   #8   Druckbare Version zeigen
shipwater Männlich
Mitglied
Themenersteller
Beiträge: 2.038
AW: Oberflächenspannung

Ok danke, ich hab eine neue Skizze dazu gemacht. Das heißt nun, wenn diese Resultierende größer als die Gewichtskraft des Körpers ist, so bleibt dieser Körper an der Oberfläche liegen? Bzw. wenn die Summe aller Resultierenden größer ist, denn dies spielt sich ja öfters ab.
Und noch eine Frage, mit der Dichte hat das ganze aber nichts zu tun? Denn man hat ja auch schon gelernt, dass Körper mit einer kleineren Dichte als Wasser nicht untergehen und Körper mit einer größeren Dichte als Wasser untergehen.
Wenn ich eine Büroklammer z.B. unter Wasser drücke so bleibt sie auch unten, folglich hat sie eine größere Dichte als Wasser. Dass sie bei sanftem Auflegen auf die Wasseroberfläche eventuell nicht untergeht hängt nur mit der Oberflächenspannung zusammen. Habe ich das richtig erfasst?

Gruß Shipwater
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Alt 24.05.2010, 16:14   #9   Druckbare Version zeigen
magician4 Männlich
Mitglied
Beiträge: 6.876
AW: Oberflächenspannung

die oberflaechenspannung von fluessigkeiten hat mit der dichte zunaechst einmal nix zu tun (und wenn dann nur hoechst indirekt: die dichte einer fluessigkeit haengt ja unter anderem auch von den teilchen-zuusammenhaltenden kraeften ab, und diese sind wiederum bei der oberflaechenspannung ja auch massgeblich)

insbesondere "hoehere dichte geht immer unter" kannste daher insoweit i.v.m. oberflaechenspannung knicken, da es eben nur fuer vollstaendig von fluessigkeit umhuellte probekoerper gilt

und yep,ich glaub du hast das alles jetzt korrekt erfasst

schoenen abend noch

ingo
magician4 ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 24.05.2010, 16:23   #10   Druckbare Version zeigen
shipwater Männlich
Mitglied
Themenersteller
Beiträge: 2.038
AW: Oberflächenspannung

Ok vielen Dank. Der eigentliche Grund des Threads war, dass ich bald ein Referat über Seife halten werde und diese setzt die Oberflächenspannung ja herab, wenn ich sie ins Wasser gebe. Die polaren Köpfe des Seifenanions schieben sich zwischen die Wassermoleküle und die unpolaren Kohlenwasserstoffketten ragen dann aus dem Wasser heraus.(Köpfchen in das Wasser Schwänzchen in die Höh)
Diese Kohlenwasserstoffketten sind unpolar, also die einzige Anziehungskraft ist die Van-der-Waals-Kraft und deswegen wird dann die Oberflächenspannung verringert. Ist das denn so einigermaßen korrekt?

Gruß Shipwater
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Alt 24.05.2010, 16:32   #11   Druckbare Version zeigen
magician4 Männlich
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Beiträge: 6.876
AW: Oberflächenspannung

sehr bildlich gesprochen: der rote pfeil ist bei unpolaren fluessigkeiten halt von haus aus kuerzer als bei polaren wie z.b. wasser, entprechend sind auch die durch oberflaechenverformung entstehenden blauen pfeile kuerzer: die resultierende repulsive kraft ist signifikant kleiner, sobald die oberflaeche eben aus "einer +/- geschlossenen flaeche aneinander assoziierter unpolarer schwaenzchen" besteht

die oberflaechenspannung verschwindet also nicht komplett, sondern wird nur durch die (geringere) von z.b. kohlenwasserstoffen ersetzt

fuer den wasserlaeufer reicht das dann allerdings nimmer

gruss

ingo
magician4 ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 24.05.2010, 16:39   #12   Druckbare Version zeigen
shipwater Männlich
Mitglied
Themenersteller
Beiträge: 2.038
AW: Oberflächenspannung

Ok besten Dank das ist nun verständlich. Nur eine kleine Frage stelle ich mir dann doch noch. Unter den Seifenanionen befinden sich ja Wassermoleküle. Und die Wassermoleküle genau unter den Seifenanionen, haben ja auch keine Wassermoleküle oberhalb. Deswegen müsste dort doch auch die "rote Kraft" zu stande kommen, oder?
So dass eine Büroklammer dann halt zwischen den Seifenanionen und dem Wasser schwimmen würde.

Gruß Shipwater
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Alt 24.05.2010, 18:39   #13   Druckbare Version zeigen
magician4 Männlich
Mitglied
Beiträge: 6.876
AW: Oberflächenspannung

dein einwand ist berechtigt...

... und genau dieses phaenomen koenntest du prinzipiell z.b. an der grenzflaeche zweier nicht mischbarer phasen finden, hexan auf wasser oder sowas

allerdings setzt das ganze eben voraus, dass du eine sprunghafte drastische lokale aenderung der eigenschaften hast, eine "molekularscharfe" trennflaeche also.

dies ist bei dem system wasser-seife jedoch nicht gegeben, da du entlang des weges "seifenmolekuel-schwanz - praktisches ende der kopf-hydrathuelle" einen sprungsfreien gradienten hast, der an der hydrathuelle des kopfes dann von zunehmend locker assouzierten "wasser-schalen" umgeben ist, sich also in den wasserkoerper hinein fortsetzt.
und zudem: wenn du jetzt ne delle machst, dann koennen (wg. mehr platz "unter" der groesseren oberflaeche) halt auch mehr wassermolekuele in diese hydratsituation eingebunden werden, was zudem noch einen energiegewinn fuers system darstellt

gruss

ingo
magician4 ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 25.05.2010, 10:27   #14   Druckbare Version zeigen
shipwater Männlich
Mitglied
Themenersteller
Beiträge: 2.038
AW: Oberflächenspannung

Ok, danke. Wie sieht es aber am Boden also an der Unterfläche aus? Dort gibt es doch keine Wassermoleküle unten drunter, sondern nur welche an den Seiten und oben drüber. Folglich müsste dort doch auch eine Resultierende senkrecht nach oben entstehen? Und warum hat Quecksilber eigentlich eine so hohe Oberflächenspannung?

Gruß Shipwater
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shipwater ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 25.05.2010, 12:23   #15   Druckbare Version zeigen
magician4 Männlich
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Beiträge: 6.876
AW: Oberflächenspannung

Zitat:
Folglich müsste dort doch auch eine Resultierende senkrecht nach oben entstehen?
das haengt von dem material des bodens ab, denn die frage ist ja immer welches material jenseits der phasengrenze lauert und welche wechselwirkungen mit dem moeglich sind. "oben", also z.b.bei luft/wasser ist die klein, "unten", also z.b bei glas/wasser ist die relevant hoeher (wechselwirkung mit Si-OH und andern polaren glasstrukturen)

d.h.: ja, der effekt tritt prinzipiell an jeder grenzflaeche auf, ist allerdings solange du keine krassen faelle wie "polare fluesigkeit/luft" hast eben unauffaellig klein

ansonsten kann die WW mit dem material auch hoeher sein als die der fluessigkeit in sich selbst: das ist dann der unterschied zwischen "benetzenden" und "nicht benetzenden" systemen

Zitat:
Und warum hat Quecksilber eigentlich eine so hohe Oberflächenspannung?
Hg hat mit sich selbst derart hohe WW, das es eigentlich aller naiven erwartung nach einen schmelzpunkt von mehreren hundert grad haben sollte. aus quantenmechanischen gruenden ist die ausbildung der entsprechenden metallbindungen jedoch behindert (wenn ichs noch recht erinnere) , sodass es "nur" bis zur fluessigeit reicht. trotzdem ists unter den bei raumtemperatur fluessigen sachen insoweit der unangefochtene held...

gruss

ingo
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