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Wasser ist nicht nur zum Trinken da

Im Winter sind wir oft mit Glatteis und Frost konfrontiert. Da stellt sich die Frage, wie können wir Eis effektiv loswerden? Am häufigsten werden dazu Kies und Streusalz verwendet. Streusalz ist eine chemische Verbindung, die als Natriumchlorid bezeichnet wird und deren Formel NaCl ist. Das herkömmliche Streusalz ist chemisch keine reine Substanz, sondern enthält oft zusätzliche Inhaltsstoffe. Am häufigsten wird Calciumchlorid, welches die Formel CaCl2 hat, zu Natriumchlorid hinzugefügt.

Substanzen in festem Zustand

Im Festkörper liegen die Moleküle der Substanzen nahe beieinander, ihre gegenseitige Anziehung ist stärker, als die in Flüssigkeiten und Gasen. Feststoffe haben eine regelmäßige innere Anordnung – Wassermoleküle in Form von Eis oder Schneeflocken sind in einem kristallinen Gitter angeordnet. Bei einer Temperatur unter/bis zu 0 °C liegt Wasser in einem festen Zustand vor.

Wenn Wasser im festen Zustand (Eis/Schnee) Salz hinzugefügt wird, ändern sich die intermolekularen Kräfte: Die Kräfte zwischen den Molekülen werden schwächer und wir beobachten, dass das Eis bei einer niedrigeren Temperatur als 0 °C zu schmelzen beginnt. Dies verringert die Kräfte zwischen den Molekülen und das Eis geht vom festen in den flüssigen Zustand (Wasser) über.

Salz

Die Salzwasserlösung hat einen niedrigeren Schmelzpunkt als das Wasser selbst. Reines Wasser schmilzt und gefriert bei ca. 0 °C. Wasser mit Salz, also Salzlösung, schmilzt bei einer viel niedrigeren Temperatur von bis zu −21,2 °C. Da der Gefrierpunkt der resultierenden Lösung viel niedriger ist, bleibt die Lösung selbst bei Temperaturen unter 0 °C flüssig. Die Temperatur hängt von der Konzentration der Lösung ab. Wenn die richtige Menge an Salz, also die richtige Konzentration erreicht wird, löst das Salz immer weitere Wassermoleküle bis sich das gesamte Eis aufgelöst hat. Je niederer die Temperaturen, desto mehr Salz wird benötigt. Daher ist es bei zu niedrigen Außentemperaturen nicht sinnvoll, zur Straßenbehandlung Salz zu verwenden. Aus praktischen Gründen ist Salz für den Straßenverkehr auf eine Außentemperatur von etwa bis zu −7 °C beschränkt.

Ein weiteres sehr interessantes Merkmal von Flüssigkeiten ist die Bildung der Oberflächenspannung. Wenn wir eine feine Nadel oder eine Rasierklinge vorsichtig auf die freie Oberfläche des Wassers legen, stellen wir fest, dass sich die Oberfläche der Flüssigkeit leicht verbiegt. Die abgelagerten Gegenstände sinken nicht, obwohl die Dichte der Gegenstände größer ist, als die Dichte des Wassers. Auch in der Natur findet sich dieses Phänomen.

  • Gerridae (Wasserläufer) bewegen sich auf dem Wasserspiegel, obwohl die Dichte ihres Körpers höher ist. Wenn sich der Wasserläufer weg bewegt, verschwindet die Biegung der Flüssigkeit an dieser Stelle wieder.

  • Der Tropfen, der am Ende des Wasserhahns auftritt, nimmt allmählich zu, dann bildet sich ein Hals und der Tropfen bricht. Der Tropfen erscheint uns als kleiner, elastischer, gefüllter Ballon.

Die obigen Beispiele zeigen, dass sich die frei liegende Oberfläche der Flüssigkeit ähnlich wie eine dünne flexible Haut verhält. Um die Eigenschaften der Flüssigkeitsoberfläche zu erklären, müssen wir die Wirkung zwischen den flüssigen Molekülen berücksichtigen.

Die Moleküle der Flüssigkeit interagieren durch anziehende Kräfte miteinander. An der Oberfläche der Flüssigkeit ist die resultierende Kraft, die auf die Flüssigkeitsmoleküle wirkt, parallel zur freien Oberfläche der Flüssigkeit, so dass die Moleküle in die Flüssigkeit gezogen werden. Dabei wirken Gasmoleküle oberhalb des freien Flüssigkeitsniveaus auch auf die flüssigen Moleküle auf der freien Oberfläche. Die Anzahl der Gasmoleküle ist erheblich geringer und daher ist ihre Kraftwirkung wesentlich schwächer. Die Kraft, mit der Moleküle z.B. einer fremden Substanz in die Flüssigkeit gezogen werden, kann durch die Temperatur der Flüssigkeit oder den Zusatz von oberflächenaktiven Mitteln beeinflusst werden.

Oberflächen- -spannung

Ein weiteres sehr interessantes Merkmal von Flüssigkeiten ist die Bildung der Oberflächenspannung. Wenn wir eine feine Nadel oder eine Rasierklinge vorsichtig auf die freie Oberfläche des Wassers legen, stellen wir fest, dass sich die Oberfläche der Flüssigkeit leicht verbiegt. Die abgelagerten Gegenstände sinken nicht, obwohl die Dichte der Gegenstände größer ist, als die Dichte des Wassers. Auch in der Natur findet sich dieses Phänomen.

Im Allgemeinen ist die Bewegung der Moleküle umso schneller, je höher die Temperatur der Flüssigkeit ist. Die Kraft, die zwischen den Molekülen wirkt, ist dann aber geringer. Oberflächenaktive Mittel beeinflussen die Kräfte zwischen den Molekülen auch. Nach der Zugabe eines oberflächenaktiven Mittels, z. B. Reinigungsmittel, zu Wasser, verringert sich die Kraft zwischen den Molekülen. Somit verringert sich auch die Festigkeit der Oberflächenschicht des Wassers. Dieses Phänomen findet beim Waschen oder Geschirrspülen Anwendung.

Wassermoleküle, die sich an der Behälter- und Flüssigkeitsgrenzfläche befinden, werden stärker an den Behälter herangezogen. Es ergibt sich eine Krümmung der freien Oberfläche der Flüssigkeit. Die halbmondartige Wölbung des Wasserstandes im Behälter nennt man Meniskus.

Wenn wir sehr bedächtig, kleine Gegenstände allmählich ins Wasser geben, z. B. Büroklammern oder Münzen, wird ein Flüssigkeitsvolumen verdrängt, das dem Volumen des Objekts entspricht. In einem mit Wasser randvoll befüllten Behältnis kann man so die Oberflächenspannung erfahrbar machen. Das Volumen des Gegenstandes im Wasser dehnt nun die Oberflächenschicht der Flüssigkeit aus und diese beginnt sich nach oben zu falten. Wir können Gegenstände, wie z.B. Münzen, so lang in das Behältnis geben, bis die durch die verdrängte Flüssigkeit gedehnte Zugspannung der Oberflächenhaut den Oberflächenspannungswert der Flüssigkeit übersteigt und die Oberflächenbeschichtung reißt, so dass die Flüssigkeit über den Rand des Behältnisses fließt.