Hallo,
man liest oft, dass Tenside die Oberflächenspannung von Wasser senkt, aber leider habe ich noch nicht gelesen, wie man sich das auf molekularer Ebene vorstellen soll.
Tenside können Wasserstoffbrücken bilden, bringen aber oft nur freie Elektronenpaare mit, aber kein Proton, siehe ein Fettsäuremolekül aus Kern- oder Schmierseife. Nun würden ja hier nur Wasserstoffbrücken empfangen aber es würden keine weiteren ausgebildet. Mit anderen Worten, so ein Tensid wäre nur ein Wasserstoffbrückenakzeptor und nicht noch zu gleich Donator, was ja ein Wassermolekül aufgrund seiner leicht abspaltbaren Protonen ist.
Allerdings würden ja dann auch Hydroxidionen, die ebenfalls nur Wasserstoffbrückenakzeptoren sind, die Oberflächenspannung senken.
Ist das jemandem bekannt?
Eine andere Möglichkeit wäre, dass die Wasserstoffbrücken zu den Tensiden stärker ist als zu Wassermolekül-Wassermolekül. Die frei werdende Energie würde sich nicht in Wärme umwandeln, sondern dazu verwendet, den unpolaren Rest des Tensids wie einen Keil in die Struktur des Wassers zu treiben, wodurch das Wasser ebenfalls schlechter Wasserstoffbrücken ausbilden kann.
Sind beide Effekte dafür verantwortlich, dass die Oberflächenspannung sinkt oder kann man ein Argument ausschließen oder gibts einen anderen Grund?
man liest oft, dass Tenside die Oberflächenspannung von Wasser senkt,
das ist nur eine etwas ungeschickte Formulierung, die es eigentlich nicht ganz trifft. Die Tenside übernehmen praktisch die Oberfläche, weil der hydrophile Teil sich an Wasser anlagert, der hydrophobe dagegen herausschaut.
Praktisch hast du damit keine Wasseroberfläche mehr, sondern eine Tensidoberfläche, auch wenn die nur ein Molekülschicht dick ist. Und die hat nun mal eine andere Oberflächenspannung als Wasser (und die ist halt vom Hersteller des Tensids passend zur Aufgabenstellung geschickt ausgewählt worden).
Praktisch hast du damit keine Wasseroberfläche mehr, sondern
eine Tensidoberfläche, auch wenn die nur ein Molekülschicht
dick ist. Und die hat nun mal eine andere Oberflächenspannung
als Wasser
Und wie erklärt man damit, dass eine Büroklammer völlig absinkt, wenn man sie auf die Wasseroberfläche gelegt hat und ein bisschen Seife dazu gegeben hat. Nachdem sich die Seife aufgelöst hat, sinkt die Klammer ja nicht nur ein Stück ein, sondern fällt ganz nach unten.
Und wie erklärt man damit, dass eine Büroklammer völlig
absinkt, wenn man sie auf die Wasseroberfläche gelegt hat und
ein bisschen Seife dazu gegeben hat. Nachdem sich die Seife
aufgelöst hat, sinkt die Klammer ja nicht nur ein Stück ein,
sondern fällt ganz nach unten.
Weil sich der Hydrophobe Teil der Tenside dann an die Klammer anlegt und ringsherum eine monomolekulare Schicht ausbildet. Die Klammer hat also im Prinzip (im Idealfall) gar keinen Kontakt zum Wasser, sondern wieder nur zum Tensid - auch hier hat die Oberflächenspannung des Wassers damit keine Bedeutung mehr.
Die „Eigenschaft“ Grenzfläche Wasser/Luft ist, wie schon
geschrieben, verschwunden. Sie wurde ersetzt durch die „Grenzfläche“
Tensid/Luft. Durchdringt nun die Büroklammer die Tensidschicht, so muss
sie auch die „Grenzfläch“ Tensid/Wasser durchbrechen. Auch hier wieder:
Erniedrigte Oberflächenspannung bzw keine Oberfläche mehr da …
Ok, aber sagen wir, die Büroklammer durchdringt die Tensidschicht.
Dann trifft sie zunächst auf die Wasserschicht, die immer noch sehr fest ist. Dann würde sie doch wieder abgebremst werden, weil in einer Molekülschicht kann die Klammer doch nicht so viel Schwung holen, dass sie das Wasser dann durchbricht
Bitte erklärt das nochmal etwas genauer
Vielen Dank
Ok, aber sagen wir, die Büroklammer durchdringt die Tensidschicht.
Das tut sie nicht.
Die hydrophoben Enden der Tenside haften relativ fest an der Klammer und werden praktisch mit dieser nach unten gedrückt. An den Seiten, wo dann neues Klammermaterial auf einmal mit der Oberfläche in Berührung kommt, lagern sich sofort weitere Tenside an und werden dann auch mit in die Tiefe gerissen usw.
Sobald ein Tensid-Molekül erst mal an der Klammer „angedockt“ hat, verlässt es die nicht mehr, weil seine Wechselwirkung mit der Oberfläche erheblich stärker ist als die von Wasser - also kann sie dort von Wasser nicht verdrängt werden.
Ok, aber sagen wir, die Büroklammer durchdringt die
Tensidschicht.
Dann trifft sie zunächst auf die Wasserschicht, die immer noch
sehr fest ist. Dann würde sie doch wieder abgebremst werden,
weil in einer Molekülschicht kann die Klammer doch nicht so
viel Schwung holen, dass sie das Wasser dann durchbricht
Bitte erklärt das nochmal etwas genauer
An der Wasser-Luft-Grenzfläche sind die Wassermoleküle
stark geordnet („hydrophobe Hydratisierung“), eine Ver- kleinerung der Oberfläche des Wassers (im Verhältnis zum
Volumen) „brächte“ einen starken Entropiegewinn und somit
Gewinn ans Freier Energie. Daher gibt es auch Wasser-„Tropfen“
in der Luft.
Hier geht es ja ums Gegenteil, die Oberflächen-Vergrößerung.
Wenn etwas „in das Wasser eindringt“ (was nicht „wasserartig“
ist), so muß eine „Energie“ aufgebracht werden, die die
verlorene Entropie kompensiert. Es werden mehr Moleküle
an der vergrößerten Oberfläche Wasser/Nicht-Wasser stärker
ausgerichtet (das fluktuierende Wasserstoff-Brücken-
Netzwerk in Wasser funktioniert nicht an Oberflächen,
die Moleküle verlieren daher Rotationsfreiheitsgrade =>
Entropieverlust).
Eine „Seife“, also ein ‚surfactant‘ funktioniert so,
daß das Wasser versucht, Entropie zu behalten und
damit die „nicht-Wasserartigen“ Teile des Seifenmoleküls
aus dem Wasser herauszuwerfen (um das fluktuierende
Wasserstoffbrückennetzwerk + Rotationsfreiheitsgrade
zu erhalten). Danach bleiben die „wasserartigen“ Teile
des Seifenmoleküls mit dem Wasser in Kontakt und bilden
eine Oberfläche nach außen (oder nach innen => Mizellen).
Die „Oberfläche nach außen“ entspricht dann Deiner
Situation mit dem Wasser, der Seife und der Büroklammer.
Die Seifenmoleküle liegen *auf* der Wasseroberfläche
und *entkoppeln* damit die Wasseroberfläche von der
Umgebung (Luft oder Büroklammer). So lange die Wasser-
moleküle eine Schicht von „wasserartigen Teilen“ der
Seifenmoleküle vorfinden, funktioniert das fluktuierende
Wasserstoffbrückennetzwerk einigermaßen - und so lange
die Oberfläche völlig damit abgedeckt ist, wird eine
*Verformung* dieser Oberfläche keinen nennenswerten
Entropieverust verursachen. Damit vermittelt die Seifen-
schicht das Eintauchen der Büroklammer.
Also, die Grenzfläche Tensid/Luft hat keine hohe Spannung. Die Klammer durchdringt diese Grenzfläche. Die Grenzfläche Tensid/Wasser.
Da an der Klammer die Tenside haften, liegt die Klammer nicht ganz auf dem Wasser, sondern wie auf Stelzen (die Stelzen sind der hydrophobe Rest der Tenside, die aus dem Wasser ragen). Da der Druck so höher auf das Wasser ist, sinkt die Klammer unter die Wasserschicht und da ihr Auftrieb zu gering ist, sinkt sie ab jetzt von selbst weiter ab.
Die hydrophoben Teile, die durch die Schwerkraft der Klammer ins Wasser gedrückt werden, stören außerdem die Anordnung der Wasserteilchen, sodass die Wechselwirkung der Wassermoleküle ebenfalls geschwächt wird.