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Kohäsion und Adhäsion von Wasser

Kohäsion, Adhäsion und Oberflächenspannung von Wasser und wie sie mit Wasserstoffbrückenbindungen zusammenhängen.

Kohäsion von Wasser

Hast du schonmal ein Wasserglas bis ganz nach oben gefüllt und dann langsam noch ein paar Tropfen dazu gegeben? Bevor es überläuft, bildet Wasser eine kuppelartige Form über dem Rand des Glases. Diese kuppelartige Form bildet sich aufgrund der kohäsiven Eigenschaften der Wassermoleküle oder ihrer Neigung, aneinander zu kleben. Kohäsion bezieht sich auf die Anziehung von Molekülen auf andere Moleküle der gleichen Art. Wassermoleküle besitzen starke Kohäsionskräfte aufgrund ihrer Fähigkeit, untereinander Wasserstoffbrückenbindungen zu bilden.
Kohäsionskräfte sind verantwortlich für die Oberflächenspannung, ein Phänomen, das für die Tendenz einer Flüssigkeitsoberfläche sorgt, nicht zu reißen, wenn sie unter Zug oder Druck gesetzt wird. Wassermoleküle an der Oberfläche (an der Wasser-Luft-Grenzfläche) bilden Wasserstoffbrückenbindungen mit ihren Nachbarn, genauso wie die Wassermoleküle tiefer innerhalb der Flüssigkeit. Da sie jedoch auf einer Seite der Luft ausgesetzt sind, haben sie weniger Nachbarn, mit denen sie binden können. Daher bilden sie stärkere Bindungen zu den vorhandenen Nachbarn aus. Die Oberflächenspannung bringt Wasser dazu, kugelförmige Tropfen zu bilden, und ermöglicht, kleine Dinge, wie ein Stück Papier oder eine Nadel, zu tragen, wenn sie vorsichtig auf der Oberfläche platziert werden.
Abbildung der Oberflächenspannung in einem Wassertropfen, der in einem Spinnennetz hängt. Wassermoleküle im Zentrum des Tropfens haben mehr benachbarte Moleküle, mit denen sie interagieren können, als Wassermoleküle an der Oberfläche. Daher bilden die Wassermoleküle an der Oberfläche stärkere Bindungen mit den Nachbarn, die sie haben.
Bildquelle: "Properties of liquids: Figure 2", OpenStax College (CC BY 4,0).

Adhäsion von Wasser

Wassermoleküle mögen es, aneinander zu haften, aber unter bestimmten Umständen bevorzugen sie die Haftung an andere Molekülarten. Adhäsion ist die Anziehung von Molekülen einer Art für Moleküle einer anderen Art. Bei Wasser kann diese sehr stark sein, vor allem zu anderen Molekülen mit positiven oder negativen Ladungen.
Adhäsion ermöglicht zum Beispiel, dass Wasser innerhalb von dünnen Glasröhrchen (Kapillarröhrchen genannt), die in einem Becherglas mit Wasser stehen, nach oben "klettern" kann. Diese Aufwärtsbewegung entgegen der Schwerkraft, bekannt als Kapillarwirkung, hängt sowohl von der Anziehung zwischen Wassermolekülen und der Glaswand des Röhrchen (Adhäsion) und den Interaktionen zwischen den Wassermolekülen (Kohäsion) ab.
Die Wassermoleküle werden stärker vom Glas angezogen als von anderen Wassermolekülen (weil Glasmoleküle noch polarer als Wassermoleküle sind). Du kannst das in der folgenden Graphik sehen: Das Wasser reicht dort am höchsten, wo es die Ränder der Rohres erreicht, und ist in der Mitte am niedrigsten. Die gebogene Oberfläche, die in einem Zylinder von einer Flüssigkeit gebildet wird, wird Meniskus genannt.
Abbildung von Wasser, das in einem dünnen Röhrchen durch Kapillarwirkung ansteigt. Das dünne Röhrchen wird in eine Tasse mit Wasser gestellt und das Wasser klettert in dem Röhrchen nach oben und erreicht einen höheren Wasserstand als in der Tasse. Das Wasser steigt auch an den Rändern des Röhrchens am höchsten und sinkt in der Mitte des Röhrchens nach unten. Dies liegt daran, dass Wassermoleküle stärker von den Seiten des Röhrchens als von anderen Wassermolekülen angezogen werden. Die gebogene Oberfläche von Wasser in dem Kapillarröhrchen wird Meniskus genannt.
Bild modifiziert nach "Water: Figure 5", OpenStax College, Biology (CC BY 3,0). Modifikation der Originalarbeit von Pearson-Scott Foresman, gestiftet der Wikimedia Foundation.
Warum sind Kohäsions- und Adhäsionskräfte wichtig für das Leben? Sie spielen in vielen wasserbasierten Prozessen der Biologie eine Rolle, einschließlich der Bewegung von Wasser in die Wipfel der Bäume und den Abfluss von Tränen durch Tränenkanäle in den Ecken unserer Augenstart superscript, 1, end superscript. Ein einfaches Beispiel für Kohäsion in Aktion zeigt der Wasserläufer (unten), ein Insekt, das auf die Oberflächenspannung angewiesen ist, um auf der Oberfläche des Wasser zu schweben.
Bild eines Wasserläufers, ein Insekt, das auf der Wasseroberfläche läuft. Dies wird durch die Oberflächenspannung von Wasser ermöglicht.
Bildquelle: "Water: Figure 6, OpenStax College, Biology (CC BY 3,0). Bild von Tim Vickers.