Chemie

Wenn Sie ein Glas Wasser einschenken oder ein Auto mit Benzin füllen, können Sie beobachten, dass Wasser und Benzin frei fließen. Aber wenn man Sirup auf Pfannkuchen gießt oder Öl in einen Automotor gibt, stellt man fest, dass Sirup und Motoröl nicht so leicht fließen. Die Viskosität einer Flüssigkeit ist ein Maß für ihren Widerstand gegen das Fließen. Wasser, Benzin und andere Flüssigkeiten, die leicht fließen, haben eine niedrige Viskosität. Honig, Sirup, Motoröl und andere Flüssigkeiten, die nicht frei fließen, wie in Abbildung 1 dargestellt, haben eine höhere Viskosität. Wir können die Viskosität messen, indem wir die Geschwindigkeit messen, mit der eine Metallkugel durch eine Flüssigkeit fällt (die Kugel fällt langsamer durch eine zähflüssigere Flüssigkeit) oder indem wir die Geschwindigkeit messen, mit der eine Flüssigkeit durch ein enges Rohr fließt (zähflüssigere Flüssigkeiten fließen langsamer).

Abbildung 1. (a) Honig und (b) Motoröl sind Beispiele für Flüssigkeiten mit hoher Viskosität; sie fließen langsam (credit a: Modifikation der Arbeit von Scott Bauer; credit b: Modifikation der Arbeit von David Nagy)

Die IMFs zwischen den Molekülen einer Flüssigkeit, die Größe und Form der Moleküle und die Temperatur bestimmen, wie leicht eine Flüssigkeit fließt. Wie Tabelle 1 zeigt, ist es für die Moleküle einer Flüssigkeit umso schwieriger, sich aneinander vorbeizubewegen, je komplexer ihre Struktur ist und je stärker die IMFs zwischen ihnen sind, und je größer die Viskosität der Flüssigkeit ist. Mit steigender Temperatur bewegen sich die Moleküle schneller und ihre kinetische Energie ist besser in der Lage, die Kräfte zu überwinden, die sie zusammenhalten; daher nimmt die Viskosität der Flüssigkeit ab.

Die verschiedenen IMFs zwischen gleichen Molekülen einer Substanz sind Beispiele für Kohäsionskräfte. Die Moleküle in einer Flüssigkeit sind von anderen Molekülen umgeben und werden von den Kohäsionskräften innerhalb der Flüssigkeit in alle Richtungen gleichermaßen angezogen. Die Moleküle an der Oberfläche einer Flüssigkeit werden jedoch nur von etwa halb so vielen Molekülen angezogen. Aufgrund der unausgewogenen molekularen Anziehungskräfte auf die Oberflächenmoleküle ziehen sich Flüssigkeiten zusammen und bilden eine Form, die die Anzahl der Moleküle auf der Oberfläche minimiert, d. h. die Form mit der kleinsten Oberfläche. Ein kleiner Flüssigkeitstropfen neigt dazu, eine kugelförmige Form anzunehmen, wie in Abbildung 2 dargestellt, da in einer Kugel das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen am geringsten ist. Größere Tropfen werden stärker von der Schwerkraft, dem Luftwiderstand, den Oberflächenwechselwirkungen usw. beeinflusst und sind daher weniger kugelförmig.

Abbildung 2. Anziehungskräfte führen zu einem kugelförmigen Wassertropfen, der die Oberfläche minimiert; Kohäsionskräfte halten die Kugel zusammen; Adhäsionskräfte halten den Tropfen am Netz fest. (credit: modification of work by „OliBac“/Flickr)

Die Oberflächenspannung ist definiert als die Energie, die erforderlich ist, um die Oberfläche einer Flüssigkeit zu vergrößern, oder die Kraft, die erforderlich ist, um die Länge einer Flüssigkeitsoberfläche um einen bestimmten Betrag zu vergrößern. Diese Eigenschaft resultiert aus den Kohäsionskräften zwischen den Molekülen an der Oberfläche einer Flüssigkeit und bewirkt, dass sich die Oberfläche einer Flüssigkeit wie eine gespannte Gummimembran verhält. Die Oberflächenspannungen verschiedener Flüssigkeiten sind in Tabelle 2 aufgeführt. Unter den gängigen Flüssigkeiten weist Wasser aufgrund der starken Wasserstoffbrückenbindungen zwischen seinen Molekülen eine ausgesprochen hohe Oberflächenspannung auf. Infolge dieser hohen Oberflächenspannung stellt die Wasseroberfläche eine relativ „harte Haut“ dar, die beträchtlichen Kräften standhalten kann, ohne zu brechen. Eine Stahlnadel, die vorsichtig auf Wasser gelegt wird, schwimmt. Einige Insekten, wie das in Abbildung 3 gezeigte, bewegen sich, obwohl sie dichter als Wasser sind, auf der Wasseroberfläche, weil sie von der Oberflächenspannung getragen werden.

Abbildung 3. Die Oberflächenspannung (rechts) verhindert, dass dieses Insekt, ein „Wasserläufer“, im Wasser versinkt (links).

Die Anziehungskräfte zwischen zwei verschiedenen Molekülen werden als Haftkräfte bezeichnet. Betrachten wir, was passiert, wenn Wasser mit einer Oberfläche in Berührung kommt. Wenn die Adhäsionskräfte zwischen Wassermolekülen und den Molekülen der Oberfläche im Vergleich zu den Kohäsionskräften zwischen den Wassermolekülen schwach sind, „benetzt“ das Wasser die Oberfläche nicht. Zum Beispiel benetzt Wasser keine gewachsten Oberflächen oder viele Kunststoffe wie Polyethylen. Wasser bildet auf diesen Oberflächen Tropfen, weil die Kohäsionskräfte innerhalb der Tropfen größer sind als die Adhäsionskräfte zwischen dem Wasser und dem Kunststoff. Auf Glas breitet sich das Wasser aus, weil die Adhäsionskraft zwischen Wasser und Glas größer ist als die Kohäsionskräfte im Wasser selbst. Wenn Wasser in einem Glasrohr eingeschlossen ist, hat sein Meniskus (Oberfläche) eine konkave Form, weil das Wasser das Glas benetzt und an der Seite des Rohrs hochkriecht. Andererseits sind die Kohäsionskräfte zwischen Quecksilberatomen viel größer als die Adhäsionskräfte zwischen Quecksilber und Glas. Quecksilber benetzt daher das Glas nicht und bildet einen konvexen Meniskus, wenn es in einem Röhrchen eingeschlossen ist, weil die Kohäsionskräfte innerhalb des Quecksilbers dazu neigen, es zu einem Tropfen zu ziehen (Abbildung 4).

Abbildung 4. Unterschiede in den relativen Stärken der Kohäsions- und Adhäsionskräfte führen zu unterschiedlichen Meniskusformen für Quecksilber (links) und Wasser (rechts) in Glasröhren. (credit: Mark Ott)

Wenn man ein Ende eines Papierhandtuchs in verschütteten Wein legt, wie in Abbildung 5 gezeigt, saugt sich die Flüssigkeit am Papierhandtuch fest. Ein ähnlicher Vorgang findet bei einem Stoffhandtuch statt, wenn man es nach dem Duschen zum Abtrocknen benutzt. Dies sind Beispiele für die Kapillarwirkung – eine Flüssigkeit fließt in einem porösen Material aufgrund der Anziehung der Flüssigkeitsmoleküle zur Oberfläche des Materials und zu anderen Flüssigkeitsmolekülen. Die Adhäsionskräfte zwischen der Flüssigkeit und dem porösen Material können in Verbindung mit den Kohäsionskräften innerhalb der Flüssigkeit stark genug sein, um die Flüssigkeit entgegen der Schwerkraft nach oben zu bewegen.

Abbildung 5. Wein saugt sich an einem Papierhandtuch (links) aufgrund der starken Anziehungskraft der Wassermoleküle (und Ethanolmoleküle) auf die -OH-Gruppen der Zellulosefasern des Handtuchs und der starken Anziehungskraft der Wassermoleküle auf andere Wassermoleküle (und Ethanolmoleküle) (rechts). (Kreditfoto: Modifikation einer Arbeit von Mark Blaser)

Handtücher saugen Flüssigkeiten wie Wasser auf, weil die Fasern eines Handtuchs aus Molekülen bestehen, die von Wassermolekülen angezogen werden. Die meisten Stoffhandtücher bestehen aus Baumwolle, und Papierhandtücher werden in der Regel aus Papierzellstoff hergestellt. Beide bestehen aus langen Zellulosemolekülen, die viele -OH-Gruppen enthalten. Wassermoleküle werden von diesen -OH-Gruppen angezogen und bilden mit ihnen Wasserstoffbrückenbindungen, wodurch die H2O-Moleküle an den Zellulosemolekülen hochgezogen werden. Die Wassermoleküle werden auch voneinander angezogen, so dass große Mengen Wasser an den Zellulosefasern hochgezogen werden.

Kapillarwirkung kann auch auftreten, wenn ein Ende eines Rohrs mit kleinem Durchmesser in eine Flüssigkeit eingetaucht wird, wie in Abbildung 6 dargestellt. Wenn die Flüssigkeitsmoleküle stark von den Röhrenmolekülen angezogen werden, kriecht die Flüssigkeit im Inneren der Röhre nach oben, bis das Gewicht der Flüssigkeit und die Haftkräfte im Gleichgewicht sind. Je kleiner der Durchmesser des Rohrs ist, desto höher steigt die Flüssigkeit auf. Die Kapillarwirkung in den Pflanzenzellen, dem Xylem, trägt dazu bei, dass Wasser und gelöste Nährstoffe aus dem Boden über die Wurzeln in die Pflanze gelangen. Die Kapillarwirkung ist die Grundlage für die Dünnschichtchromatografie, eine Labortechnik, die häufig zur Trennung kleiner Mengen von Gemischen verwendet wird. Sie sind auf einen konstanten Vorrat an Tränen angewiesen, um Ihre Augen zu befeuchten, und auf die Kapillarwirkung, um die Tränenflüssigkeit abzupumpen.

Abbildung 6. Je nach der relativen Stärke der Adhäsions- und Kohäsionskräfte kann eine Flüssigkeit in einem Glaskapillarrohr aufsteigen (z. B. Wasser) oder absinken (z. B. Quecksilber). Das Ausmaß des Aufsteigens (oder Absinkens) ist direkt proportional zur Oberflächenspannung der Flüssigkeit und umgekehrt proportional zur Dichte der Flüssigkeit und dem Radius des Rohrs.

Die Höhe, bis zu der eine Flüssigkeit in einem Kapillarrohr aufsteigt, wird durch mehrere Faktoren bestimmt, wie in der folgenden Gleichung dargestellt:

In dieser Gleichung ist h die Höhe der Flüssigkeit im Inneren des Kapillarrohrs relativ zur Oberfläche der Flüssigkeit außerhalb des Rohrs, T ist die Oberflächenspannung der Flüssigkeit, θ ist der Kontaktwinkel zwischen der Flüssigkeit und dem Rohr, r ist der Radius des Rohrs, ρ ist die Dichte der Flüssigkeit und g ist die Erdbeschleunigung, 9.8 m/s2. Wenn das Rohr aus einem Material besteht, zu dem die Flüssigkeitsmoleküle stark angezogen werden, breiten sie sich vollständig auf der Oberfläche aus, was einem Kontaktwinkel von 0° entspricht. Dies ist die Situation für Wasser, das in einem Glasrohr aufsteigt.

Biomedizinische Anwendungen der Kapillarwirkung

Abbildung 7. Die Blutentnahme zur medizinischen Analyse erfolgt durch Kapillarwirkung, bei der das Blut in ein Glasröhrchen mit kleinem Durchmesser gesaugt wird. (Credit: Abwandlung einer Arbeit der Centers for Disease Control and Prevention)

Für viele medizinische Tests ist die Entnahme einer kleinen Menge Blut erforderlich, z. B. zur Bestimmung des Glukosegehalts bei Diabetikern oder des Hämatokritwerts bei Sportlern. Dieses Verfahren ist aufgrund der Kapillarwirkung, d. h. der Fähigkeit einer Flüssigkeit, entgegen der Schwerkraft in einem kleinen Röhrchen nach oben zu fließen, einfach durchzuführen (siehe Abbildung 7). Wenn Sie sich in den Finger stechen, bildet sich ein Blutstropfen, der aufgrund der Oberflächenspannung – der unausgewogenen intermolekularen Anziehungskraft an der Oberfläche des Tropfens – zusammenhält. Wenn dann das offene Ende eines Glasröhrchens mit geringem Durchmesser den Blutstropfen berührt, ziehen die Haftkräfte zwischen den Molekülen im Blut und denen an der Glasoberfläche das Blut das Röhrchen hinauf. Wie weit das Blut das Röhrchen hinaufzieht, hängt vom Durchmesser des Röhrchens (und der Art der Flüssigkeit) ab. Ein kleines Röhrchen hat eine relativ große Oberfläche für ein bestimmtes Blutvolumen, was zu größeren (relativen) Anziehungskräften führt, so dass das Blut weiter nach oben gezogen werden kann. Die Flüssigkeit selbst wird durch ihre eigenen Kohäsionskräfte zusammengehalten. Wenn das Gewicht der Flüssigkeit im Röhrchen eine nach unten gerichtete Kraft erzeugt, die der mit der Kapillarwirkung verbundenen nach oben gerichteten Kraft entspricht, hört die Flüssigkeit auf, aufzusteigen.