Wasser hat eine ungewöhnlich hohe Oberflächenspannung
Die Oberflächenspannung von Wasser ist die höchste aller nicht-metallischen Flüssigkeiten.
Wissenschaftliche Erklärung
Die Oberflächenspannung ist die Kraft, die die Oberfläche einer Flüssigkeit zusammenhält und wie eine unsichtbare Haut wirkt. Mit 72,8 Millinewton pro Meter bei 20 Grad Celsius hat Wasser die höchste Oberflächenspannung aller nicht-metallischen Flüssigkeiten. Nur Quecksilber und einige andere flüssige Metalle übertreffen diesen Wert.
Zum Vergleich: Ethanol kommt auf nur 22,1 und Aceton auf 25,2 Millinewton pro Meter. Wasser hat also eine etwa dreimal höhere Oberflächenspannung als diese organischen Lösungsmittel.
Die Ursache ist das starke Netzwerk der Wasserstoffbrückenbindungen. An der Oberfläche fehlen den Wassermolekülen Bindungspartner auf der Luftseite. Die verbliebenen Moleküle im Inneren ziehen die Oberflächenmoleküle nach innen, was eine starke Oberflächenspannung erzeugt. Je stärker die Anziehung zwischen den Molekülen, desto grösser die Oberflächenspannung — und die Wasserstoffbrückenbindungen in Wasser sind besonders stark.
Schritt für Schritt
Wassermoleküle
Wir betrachten eine Gruppe von Wassermolekülen. Jedes Molekül besteht aus einem Sauerstoffatom (gross, blau) und zwei Wasserstoffatomen (klein). Die Moleküle bewegen sich in der Flüssigkeit.
Wasserstoffbrücken-Netzwerk
Die Moleküle bilden ein Netzwerk aus Wasserstoffbrückenbindungen. Jedes Molekül kann bis zu vier Brücken aufbauen. Dieses Netzwerk hält die Flüssigkeit zusammen -- stärker als bei fast allen anderen Flüssigkeiten.
Oberfläche vs. Inneres
An der Oberfläche fehlen den Molekülen Bindungspartner auf der Luftseite. Die inneren Moleküle ziehen die Oberflächenmoleküle nach innen. Diese ungleichmässige Kraft erzeugt die Oberflächenspannung.
Die schwimmende Nadel
Die Oberflächenspannung ist so stark, dass sie eine Nadel tragen kann. Die Wasseroberfläche wölbt sich leicht unter dem Gewicht, ohne zu brechen -- wie eine unsichtbare Haut.
Alltagsrelevanz
Die hohe Oberflächenspannung von Wasser ist überall im Alltag sichtbar. Wasserläufer können auf der Wasseroberfläche laufen, weil die Oberflächenspannung ihr Gewicht trägt. Regentropfen nehmen eine annähernd kugelförmige Form an. Eine vorsichtig aufgelegte Büroklammer schwimmt auf dem Wasser, obwohl Metall schwerer ist als Wasser.
In der Pflanzenwelt ist die Oberflächenspannung entscheidend für die Kapillarwirkung: Wasser steigt in den feinen Gefässen von Pflanzen nach oben und versorgt die Blätter mit Wasser. Auch beim Waschen spielt die Oberflächenspannung eine Rolle — Seife verringert sie, damit das Wasser Schmutz besser benetzen und lösen kann.