Kohäsion, Adhäsion und Kapillarität
Nach dem Regen sitzen Wassertropfen als kleine Kugeln auf einem Blatt oder auf deiner Regenjacke. Auf der Fensterscheibe dagegen laufen sie breit auseinander. Ein Wasserläufer, ein Insekt, läuft über den Teich und sinkt nicht ein. Und ein Küchenpapier saugt eine Pfütze auf, wenn du es nur an den Rand hältst. Woran liegt das?
Alle diese Beobachtungen haben damit zu tun, dass sich die winzigen Teilchen einer Flüssigkeit anziehen. Du lernst, wie diese Anziehung wirkt und was sie bewirkt.
Kohäsion und Adhäsion
Im Teilchenmodell besteht Wasser aus winzigen Teilchen, die sich anziehen. Diese Anziehung gibt es in zwei Arten:
- Kohäsion ist die Anziehung zwischen Teilchen desselben Stoffes. Darum bleibt Wasser zusammen und zerfällt nicht in einzelne Teilchen. Zwei Tropfen, die sich berühren, fließen zu einem zusammen. Auch feste Körper halten durch Kohäsion zusammen.
- Adhäsion ist die Anziehung zwischen Teilchen verschiedener Stoffe. Wasser haftet am Glas, Kreide haftet an der Tafel, Klebstoff haftet am Papier.
Merkhilfe: Kohäsion kommt von „zusammenhängen“, Adhäsion von „anhaften“.
Benetzen und Abperlen
Liegt Wasser auf einer Fläche, wirken zwei Anziehungen gegeneinander: die Adhäsion zwischen Wasser und Fläche und die Kohäsion im Wasser selbst.
- Ist die Adhäsion stärker, zieht die Fläche das Wasser an, und es breitet sich aus. Es benetzt die Fläche. Das gilt für sauberes Glas, Papier und Stoff.
- Ist die Kohäsion stärker, hält das Wasser lieber zusammen. Es bleibt als Tropfen liegen und perlt ab. Das gilt für Wachs, gewachsten Autolack, Fett und imprägnierte Regenjacken.
Auf einem fettigen Teller bildet Wasser Tropfen. Spülmittel sorgt dafür, dass es den Teller wieder benetzt.
Regenjacke und Handtuch
Regenjacke und Handtuch
Auf einer Regenjacke perlt Wasser ab. Ein Handtuch saugt es auf. Erkläre beides mit Kohäsion und Adhäsion.
Regenjacke: Die Imprägnierung, eine Schicht ähnlich wie Wachs, zieht Wasser kaum an. Die Adhäsion ist schwach. Die Kohäsion im Tropfen ist stärker, also bleibt er zusammen und perlt ab.
Handtuch: Die Fasern ziehen Wasser stark an. Die Adhäsion ist groß, das Wasser breitet sich in den Fasern aus und benetzt sie.
Oberflächenspannung
Im Inneren eines Wassertropfens werden die Teilchen von allen Seiten von Nachbarn angezogen. Diese Wirkungen heben sich auf. An der Oberfläche fehlen die Nachbarn oben, denn dort ist Luft. Die Teilchen werden nur zur Seite und nach unten gezogen. Deshalb verhält sich die Oberfläche wie eine dünne, gespannte Haut. Das heißt Oberflächenspannung. Es ist keine echte Haut, sondern dasselbe Wasser, dessen Teilchen sich anziehen.
Das hat Folgen:
- Kleine Tropfen sind fast kugelrund, denn eine Kugel hat bei gleichem Inhalt die kleinste Oberfläche.
- Ein Wasserläufer drückt mit seinen Beinen die Oberfläche nur leicht ein und geht nicht unter.
- Eine Büroklammer aus Stahl schwimmt, wenn du sie vorsichtig auf das Wasser legst, obwohl Stahl sonst untergeht.
- Ein Glas lässt sich etwas über den Rand füllen. Das Wasser wölbt sich.
Spülmittel schwächt die Oberflächenspannung.
Die Büroklammer auf dem Wasser
Die Büroklammer auf dem Wasser
Du legst vorsichtig eine Büroklammer aus Stahl auf Wasser. Sie schwimmt. Dann gibst du einen Tropfen Spülmittel dazu. Die Büroklammer sinkt. Erkläre das.
Stahl geht im Wasser sonst unter. Hier trägt die Oberfläche die Büroklammer, denn die gespannte „Haut“ aus Wasserteilchen gibt nur leicht nach. Das ist die Oberflächenspannung.
Das Spülmittel schwächt die Anziehung zwischen den Wasserteilchen an der Oberfläche. Die „Haut“ trägt nicht mehr, und die Büroklammer sinkt.
Kapillarität
Kapillaren sind sehr dünne Röhrchen. Das Wort kommt von „capillus“, dem lateinischen Wort für Haar. Taucht man ein dünnes Glasröhrchen in Wasser, steigt das Wasser darin höher als außerhalb. Das heißt Kapillarität.
Die Ursache: Das Wasser haftet an der Glaswand (Adhäsion) und zieht dort seine Oberfläche nach oben. Die Teilchen darunter folgen, denn sie halten zusammen (Kohäsion). Je dünner das Röhrchen, desto höher steigt das Wasser. Für Wasser in sauberem Glas gilt als Faustregel: Halbierst du den Durchmesser, steigt es doppelt so hoch.
Im Alltag begegnet dir Kapillarität oft:
- Küchenpapier und Schwamm saugen Wasser auf, weil zwischen ihren Fasern winzige Zwischenräume wie Kapillaren liegen.
- Der Docht einer Kerze zieht das flüssige Wachs nach oben.
- Im Boden und in den Wurzeln der Pflanzen steigt Wasser in feinen Zwischenräumen nach oben. Hohe Bäume holen ihr Wasser aber noch auf andere Weise, denn Kapillarität hebt Wasser nur etwa einen Meter.
- Feuchtigkeit kann in einer Kellerwand von unten aufsteigen.
Wie hoch steigt das Wasser?
Wie hoch steigt das Wasser?
In einem Glasröhrchen mit 2 mm Durchmesser steigt Wasser etwa 1,5 cm hoch. Wie hoch steigt es etwa in Röhrchen mit 1 mm und mit 0,5 mm Durchmesser?
Von 2 mm auf 1 mm ist der Durchmesser halbiert. Das Wasser steigt doppelt so hoch: 1,5 mal 2 sind 3. Bei 1 mm sind es etwa 3 cm.
Von 1 mm auf 0,5 mm wird der Durchmesser noch einmal halbiert. Wieder doppelt so hoch: 3 mal 2 sind 6. Bei 0,5 mm sind es etwa 6 cm. Je dünner das Röhrchen, desto höher steigt das Wasser.
Die Oberfläche ist eine Haut aus einem anderen Stoff
Die Oberfläche ist eine Haut aus einem anderen Stoff
„Auf dem Wasser liegt eine dünne Haut, die die Büroklammer trägt.“
Es gibt keine zusätzliche Haut. Es sind dieselben Wasserteilchen. Weil sie sich an der Oberfläche nur seitlich und nach unten anziehen, verhält sich die Oberfläche wie eine gespannte Haut.
Kohäsion und Adhäsion verwechseln
Kohäsion und Adhäsion verwechseln
„Das Wasser haftet am Glas durch Kohäsion.“
Beides ist Anziehung, aber zwischen anderen Teilchen. Kohäsion wirkt zwischen gleichen Teilchen, also im Wasser selbst. Adhäsion wirkt zwischen verschiedenen Stoffen, also zwischen Wasser und Glas. Das Haften am Glas ist Adhäsion.
Zusammenfassung
Kohäsion ist die Anziehung zwischen Teilchen desselben Stoffes. Adhäsion ist die Anziehung zwischen Teilchen verschiedener Stoffe.
Ist die Adhäsion stärker, benetzt die Flüssigkeit die Fläche und breitet sich aus. Ist die Kohäsion stärker, perlt sie als Tropfen ab.
Die Oberflächenspannung lässt die Oberfläche wie eine gespannte Haut wirken. Darum sind Tropfen rund, und Wasserläufer und Büroklammer gehen nicht unter.
Spülmittel schwächt die Oberflächenspannung und hilft dem Wasser, Flächen zu benetzen.
In Kapillaren, sehr dünnen Röhrchen, steigt Wasser nach oben. Je dünner das Röhrchen, desto höher steigt es.
Kapillarität zeigt sich bei Küchenpapier, Schwamm und Kerzendocht sowie im Boden und in Pflanzenwurzeln. Sie hebt Wasser aber nur etwa einen Meter.
Übungen
Zwei Wassertropfen berühren sich und fließen zu einem Tropfen zusammen. Welche Anziehung ist hier am Werk?
Wasser perlt von einer Regenjacke ab. Was stimmt?
In einem Glasröhrchen mit 1 mm Durchmesser steigt Wasser etwa 3 cm hoch. Wie hoch steigt es etwa in einem Röhrchen mit 0,25 mm Durchmesser? Gib die Höhe in Zentimetern an.
Warum saugt Küchenpapier Wasser auf?
Eine Büroklammer schwimmt auf Wasser. Nach einem Tropfen Spülmittel sinkt sie. Erkläre beides.
Nenne zwei Beispiele für Kapillarität im Alltag oder in der Natur und beschreibe eines genauer.