Warum ist Wasser nass???

Transkript

1 Warum ist Wasser nass??? Beitrag für eine WDR-Wissenssendung, Januar 2011 Prof. Dr. Manfred Koch, Institut für Geotechnologie und Geohydraulik, Uni Kassel Das Gefühl, Wasser als nass auf der Haut zu spüren, hat was damit zu tun, wie ein Wassertropfen die Haut benetzt. Man kann schon hier zusammenfassend sagen, je stärker die Haut vom Wasser benetzt wird, um sehr mehr fühlt man Wasser als nass. Benetzung einer festen Oberfläche (Haut oder aber auch eine Glasplatte oder eine Bratpfanne) durch eine Flüssigkeiten (Wasser, Öl, Quecksilber) ist ein komplexer physikalischer Prozess, der sowohl von den Oberflächeneigenschaften der Flüssigkeit als auch denen des festen benetzten Körpers abhängt. Je nach Art der Flüssigkeit und des Materials und der Beschaffenheit der Oberfläche (z.b. ob sie rau oder sehr glatt ist) benetzt die Flüssigkeit die Oberfläche mehr oder weniger stark. Betrachten wir zunächst einen Tropfen Flüssigkeit, der auf eine feste Oberfläche gebracht wird. Die Tatsache, dass eine sehr kleine Menge an Flüssigkeit überhaupt als Tropfen vorliegen kann (s. tropfenden Wasserhahn) ist eine Folge der Oberflächenspannung der Flüssigkeit, welche eine charakteristische Eigenschaft derselben ist. Durch diese Oberflächenspannung, die einen Wert von 70 physikalischen Einheiten für Wasser hat, aber einen Wert von 450 Einheiten für Quecksilber, wird eine sogenannte Kohäsionskraft (Zusammenhaltungskraft) im Flüssigkeitstropfen produziert die nach innen gerichtet ist und zur Folge hat, dass der Tropfen das Bestreben hat, eine Kugelform anzunehmen. Dies sieht man am besten z.b. beim Seifenblasen. Beim Berühren des Tropfen mit der festen Oberfläche kommt es nun zu dem Phänomen der mehr oder weniger starken Benetzung, was davon abhängt, wie sich der Tropfen auf der Oberfläche ausbreitet. Dabei kommt nun eine weitere Kraft ins Spiel, die sogenannte Adhäsionskraft (Haftkraft), die an der Kontaktgrenze zwischen Flüssigkeit und fester Oberfläche wirkt. Diese Kraft ist eine Folge der sogenannten Grenzflächenspannung, die immer an einer Grenze zwischen Flüssigkeit und festem Körper wirkt und deren Größe von beiden Partnern abhängt. Nun kommt es zu einem Kampf zwischen Kohäsionskraft (Oberflächenspannung) und Adhäsionskraft (Grenzflächenspannung). Als Folge stellt sich ein sogenannter Kontaktwinkel ein, mit der die Flüssigkeitshaut auf die feste Oberfläche stößt (Abb. 1).

2 Abb. 1. Kontaktwinkel Θ Flüssigkeitshaut und fester Oberfläche Je kleiner nun dieser Kontaktwinkel Θ ist, desto flacher schmiegt sich die Oberflächenhaut des Tropfens an die Oberfläche der festen Fläche an und um so größer ist die Benetzbarkeit. Für den Grenzfall von Θ = 0 würde sich der Tropfen auf der Oberfläche total verlaufen und man hat den Fall einer total Benetzung. Für Wasser auf einer Glasplatte ist dieser Winkel etwa gleich 20 o, und man kann daher sagen, dass Wasser Glas sehr stark benetzt. Dies ist auch im Beispiel C in der Abb. 2 dargestellt Das Beispiel A in Abb. 2 zeigt den umgekehrten Fall einer nicht-benetzenden Flüssigkeit, z.b Quecksilber auf Glas. Hier ist der Kontaktwinkel Θ grösser als 90 o, genauer gesagt, ist er für diesen Fall Θ =138 o. Für den Idealfall Θ =180 o würde der Tropfen die Oberfläche nur an einem Punkt berühren und man hätte gar kein Benetzung. Auf jeden Fall bleibt die Tropfenform des Quecksilbers fast erhalten, der Tropfen perlt auf der Oberfläche ab und kann bei geneigter Fläche frei auf der Glasplatte rollen. Auch wenn es sich gefährlich anhört, wem mal ein Quecksilber-Thermometer auf einem Fliesenboden zerbrochen ist, hat die über den Boden rollenden Quecksilbertropfen verfolgen können, ganz im Gegensatz zu auf dem Boden versprühten Wasser. Abb. 2: Beispiele für nicht-benetzende (Quecksilber) (A) und benetzende Flüssigkeiten (Wasser) (C) Man kann also zusammenfassend sagen, wenn die Adhäsionskräfte über die Kohäsionskräfte überwiegen, wie im Fall des Wassers, wird sich ein Tropfen auf der Oberfläche ausbreiten, d.h. er wird sie stark benetzen, während im umgekehrten Fall des Quecksilbers die Tropfenform erhalten bleibt und die Oberfläche kaum benetzt wird.

3 Wir haben nun gesehen, dass sich Wasser nass anfühlt, weil es eine feste Fläche (Haut) sehr gut benetzt. Wie kann man nun diese Benetzung von Wasser weiter steuern und vielleicht reduzieren, so dass sich Wasser weniger nass anfühlt? Ein berühmtes Beispiel ist der Lotus-Effekt bei Blättern von vielen Pflanzen. Normalerweise zeigen Pflanzen in Kontakt mit Wassertropfen je nach Blattart einen der in Abb. 2 dargestellten Fälle der Benetzung. Die Lotus-Blume zum Beispiel weist nur eine sehr geringe Benetzung auf, daher der Name für dieses Phänomen. Dies ist eine Folge zum einen der mikroskopischen feinen Rauhigkeit der Blattoberfläche so dass ein Wassertropfen keinen vollständigen Kontakt mit der Blattoberfläche hat, und zum anderen eine Folge der Aussonderung einer wachsartigen Flüssigkeit der Pflanze, die man als hydrophob (wasserfeindlich) ansehen kann und die Adhäsion zwischen Wasser und festem Blatt und somit die Benetzung der Blattfläche stark vermindern. Auf so einer extrem hydrophoben und aufgerauten Oberfläche können die Tropfen Kontaktwinkel bis zu 160 bilden, so dass die Benetzung fast gleich 0 ist. Dies bezeichnet man auch als Superhydrophobie. Als Folge perlen die Tropfen auf dem Blatt ab und im Wasser gelöste Schmutzstoffe können sich nicht auf der Blattoberfläche absetzten, so dass das Blatt stets sauber bleibt. Mittlerweile gibt es auch schon Fassadenfarben, die auf diesem Lotus-Effekt beruhen, d.h. die Benetzung der Mauerwand mit Wasser stark reduzieren und somit ihre Verschmutzung vermindern. Für die Reduzierung der Benetzung von Wasser auf der Haut könnte man ähnliches erreichen, indem man sich die Haut mit einem Öl oder Fett einreibt. Vorausgesetzt das Öl ist wasserfest, würde man das Wasser nach einer Dusche auf der Haut als weniger nass anfühlen. Und für die wasserscheuen Menschen, die lieber am Strand in der Sonne liegen als das Baden in den Meeresfluten zu genießen, denen kann man vielleicht helfen, indem man sie sich ordentlich mit wasserfester Sonnencreme eincremen lässt. Danach werden sie beim Betreten des Wassers dieses als weniger nass empfinden und sich weniger gehemmt in die Fluten stürzen. Referenzen: m