Das liegt nicht daran, dass sie leichter oder weniger dicht als Wasser sind, die Antwort ist … Oberflächenspannung!
Dadurch bilden sich Blasen, Wasser kann an den Seiten eines Kapillarrohrs hochkriechen, und Insekten wie der Wasserläufer können über die Oberfläche eines Teichs laufen, ohne ihn zu beschädigen.
Die Oberflächenspannung ist die Energie, die erforderlich ist, um die Oberfläche einer Flüssigkeit zu vergrößern, und bewirkt daher, dass eine Flüssigkeit eine möglichst kleine Oberfläche haben möchte. Mit anderen Worten, es ist die Fähigkeit einer Oberfläche, äußeren Kräften aufgrund der in der Flüssigkeit wirkenden molekularen Kräfte zu widerstehen. Diese Kräfte umfassen Wasserstoffbindungen (starke intermolekulare Wechselwirkungen) und Dispersionskräfte (schwache intermolekulare Wechselwirkungen).
Neben vielen anderen einzigartigen Eigenschaften verleiht ihm die chemische Struktur des Wassers eine viel höhere Oberflächenspannung als andere Flüssigkeiten – etwa 72 mN/m. Die einzige Flüssigkeit mit einer höheren Oberflächenspannung ist Quecksilber mit 500 mN/m. Aus diesem Grund ist Wasser das am häufigsten verwendete Beispiel zur Demonstration der Oberflächenspannung, und wir können es überall in Aktion sehen.
Wasser besteht aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom in einer tetraedrischen Struktur, und diese Konfiguration ermöglicht es Wassermolekülen, elektrostatische Bindungen – sogenannte Wasserstoffbrückenbindungen – zwischen benachbarten Molekülen zu bilden.
Oberflächen werden oft als entweder hydrophil (wasserliebend) oder hydrophob (wasserabweisend) beschrieben, und dies wird durch die Fähigkeit der Oberfläche bestimmt, sich mit Wassermolekülen zu verbinden, anstatt dass sich das Wasser einfach an sich selbst bindet. Diese Oberflächenbindungsfähigkeit wird oft durch die molekulare Polarität bestimmt und ob es Stellen gibt, an denen Wasserstoffbindungen stattfinden können. In der Chemie gilt „Gleiches zieht Gleiches an“, also wird ein polares Molekül wie Wasser stärker von einer polaren Oberfläche angezogen als von einer Oberfläche ohne Nettoladung.
Wenn Sie sich das Wasser ansehen, das von den Blättern einer Lotusblume abfließt, werden Sie feststellen, dass das Blatt nicht wirklich nass wird. Das Wasser läuft einfach spurlos ab. Der Lotuseffekt ist ein Sonderfall der Superhydrophobie, die durch zwei Faktoren verursacht wird.
Erstens sind Lotusblätter mit Cuticula bedeckt, die eine wachsartige Substanz über die Blattoberfläche absondern. Wachse und Öle sind hydrophob, daher haften Wassertröpfchen leichter an anderen Wassertröpfchen als an der Blattoberfläche.
Zweitens sieht die Oberfläche eines Lotusblattes zwar glatt genug aus, ist aber auf mikroskopischer Ebene tatsächlich extrem rau. Es ist mit vielen winzigen Punkten der Blattoberfläche bedeckt, die fraktale Hierarchien der Oberfläche und Lücken bilden, in denen Luft eingeschlossen werden kann. Dadurch erhöht sich der Widerstand zwischen dem Wassertropfen und der Blattoberfläche, wodurch das Wasser einfach abperlt.
Die Energie einer Oberfläche kann gesenkt werden, um sie leichter brechen zu lassen. Erreicht wird dies durch Tenside, kurz für SurfenAs handelnIVE ageNch.
Tenside sind Moleküle mit einem hydrophilen Kopf und einem hydrophoben Schwanz. Die Moleküle können sich entlang einer Grenzfläche von Wasser und einer anderen Flüssigkeit (wie Öl oder Luft) ausrichten und dies senkt die Energie entlang der Oberfläche.
Sie können sich das wie eine zusätzliche Schicht vorstellen, die die Wassermoleküle umhüllt und sie von der Grenzfläche und voneinander trennt. Dadurch werden Wassermoleküle dünn verteilt und es entstehen Blasen.
In Waschmitteln können diese winzigen Bläschen dann in Rillen und Poren gelangen, um Schmutz und Bakterien zu entfernen. In Emulsionen können die Blasen in einer anderen Flüssigkeit dispergiert werden, beispielsweise in Öl suspendierte Wasserpartikel zur Herstellung von Margarine. Emulgierende Tenside können die Konsistenz der beiden Phasen in etwas Homogenes verändern und dafür sorgen, dass sie sich deutlich schwerer trennen lassen.
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