Kohäsion und Adhäsion

11. Lektion
Kohäsion, Adhäsion, Kapillarität
H. Zabel 11. Lektion: Kohäsion - Adhäsion 1
11.
Lektion

Lernziel
Kräfte auf Moleküle an Oberflächen und
Grenzflächen von Flüssigkeiten sind verschieden
von denen innerhalb einer Flüssigkeit.
H. Zabel 11. Lektion: Kohäsion - Adhäsion 2

Begriffe:
• Kohäsion
• Adhäsion
• Minimalflächen
• Grenzflächen
• Oberflächenspannung
• Kontaktwinkel
• Kapillarität
• Steighöhe
H. Zabel 11. Lektion: Kohäsion - Adhäsion 3
Begriffe

Kohäsion und Adhäsion
Kohäsionkraft =
Anziehung zwischen einem
herausgegriffenen Molekül und seinen
Nachbarn der selben Substanz
Adhäsionkraft = Anziehung zwischen
Molekülen an der Grenzfläche und
der angrenzenden Oberfläche einer
anderen Substanz
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Kohäsionskraft
Moleküle an der Oberfläche:
resultierende Kraft zeigt ins Innere, so
dass die Gesamt-Oberfläche möglichst
klein wird (→ Kugel-Form)
Wassermoleküle im Inneren der
Flüssigkeit: keine resultierende Kraft
Fazit:
Kohäsionskraft ist im Inneren immer größer als an der Oberfläche!
H. Zabel/Soltwisch 11. Lektion: Kohäsion - Adhäsion 5

Ziehen eines
Flüssigkeitfilms
mit einem Bügel:
∆x
Bestimmung der Kohäsionskraft
L
F
Kraft, die benötigt wird um den Flüssigkeitsfilm
zu heben und die Oberfläche zu
vergrössern:
F = mg + 2γL
m = Masse des Flüssigkeitsfilms
g = Erdbeschleunigung
γ = Oberflächenspannung [N/m]
L = Bügellänge
Faktor 2, weil zwei Oberflächen gebildet
werden
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Oberflächenspannung: γ
….. bewirkt eine minimale Oberfläche von Flüssigkeiten:
z.B. Kugeloberfläche bei Seifenblasen.
Die kugelige Form der Seifenblase schließt bei kleinster
möglicher Oberfläche ein größtes mögliches Volumen ein.
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Minimalfläche eines Tropfens
Tropfenform durch Zusammenwirkung
von Kohäsions- und
Gravitationskräften
Tropfenverschreibung wichtig in der
Medizin! Im Gleichgewicht wird der
Tropfen von der Kohäsionkraft
festgehalten:
2πr
mg = 2πrγ
Damit ist die Masse des
Tropfens beim Fallen:
πrγ
m
g
2
=
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Minimalflächen
Minimalfläche von
Seifenschaum in Drahtgittern
Bei Eintauchen des
Drahtgitters in Seifenschaum
entstehen die folgenden
Minimaloberflächen:
Demonstration
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Vergrößerung der Oberfläche
Zur Vergrößerung der Oberfläche muß Arbeit W gegen
die Oberflächenspannung geleistet werden:
W=F∆x = 2γL∆x= 2γ∆A
∆A = Oberflächenzunahme,
γ = Oberflächenspannung, [γ] = N/m
• Vergrößerung der Oberfläche bedeutet, mehr Atome
vom Inneren an die Oberfläche zu bringen.
• W ist ein Maß für die attraktive Bindung (Kohäsion), die
die Moleküle im Inneren der Flüssigkeit zusammenhält.
• Je größer die Oberflächenspannung, umso größer die
zu leistende Arbeit.
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Oberflächenspannung
Oberflächenspannung
= Arbeit pro Oberflächenvergrößerung
γ =
W
2∆A
F
2L
Die Oberflächenspannung von
Seifenblasen kann durch Zugabe von
Chemikalien verringert werden (z.B.
Glyzerin). Damit entstehen größere
Blasen.
H. Zabel 11. Lektion: Kohäsion - Adhäsion 11
=

Beispiele für
Oberflächenspannung
γ in mN/m
Wasser (0°C)
Wasser (50°C)
76
68
Quecksilber 465
Glycerin 66
Aceton 23
Durch Zugabe von Seife kann die
Oberflächenspannung von Wasser reduziert werden.
Dies erlaubt größere Seifenblasen herzustellen.
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Senkung der
Oberflächenspannung durch Tenside
Demonstration
Tenside sind kettenartige
Moleküle, die einen hydrophilen
Kopf und einen hydrophoben
Schwanz haben. In Wasser
wirken sie als Surfactants
(surface active agents), die die
Wechselwirkung zwischen den
H 2O Molekülen reduzieren und
die Oberflächenspannung
erniedrigen.
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Adhäsion
Wechselwirkung zwischen
zwei Stoffen an ihrer
gemeinsamen Grenzfläche.
Adhäsion
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Benetzung von Oberflächen
Nicht benetzend:
Tröpfchenbildung von Wasser
auf einem Blatt durch
wasserabstoßende Wirkung*
Benetzender Autolack auf Metall
*beachte Linsenwirkung des Tropfens, was
beim Auge von Insekten Anwendung findet.
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Kontaktwinkel
Kontaktwinkel θ bestimmt
Benetzungseigenschaften
Schlechte Benetzung:
Kontaktwinkel θ > 90°
Gute Benetzung:
Kontaktwinkel θ < 90°
Perfekte Benetzung:
Kontaktwinkel θ = 0°
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θ
θ
θ

Vergleich Adhäsion - Kohäsion
Adhäsion > Kohäsion, falls an der flüssigfesten
Grenzfläche die Moleküle der
Flüssigkeit eine stärkere Wechselwirkung
mit der festen Oberfläche haben als mit
sich selber. Gute Benetzung.
Adhäsion < Kohäsion, falls
Wechselwirkung der Flüssigkeitsmoleküle
untereinander größer ist als die
Wechselwirkung mit der festen
Oberfläche. Tröpfchenbildung.
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Kontaktwinkel in Glasrohren
Kontaktwinkel in Glasrohren
Gute Benetzung
Kontaktwinkel θ < 90°
Schlechte Benetzung
Kontaktwinkel θ > 90°
Demonstration
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θ
θ

Kapillarität
………oder wie kommt das
Wasser in die Baumspitze?
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Kapillare Wirkung
2R
H
……..findet nur bei benetzenden
Flüssigkeiten statt.
Steighöhe H hängt umgekehrt
proportional vom Radius ab:
H
= 2
( γ −γ
)
glass
ρgR
Grenzfläche
In Pflanzen wird die kapillare Erhöhung beim Wassertransport benötigt,
damit die Wassersäule in den Leitungsbahnen nicht abreißt. Der
Transport selbst wird durch den Wurzeldruck und den Transpirationssog
angetrieben. Diese Tatsache wird in nahezu allen Physiklehrbüchern
falsch dargestellt.
H. Zabel 11. Lektion: Kohäsion - Adhäsion 20

Kapillarität
Kapillarität
…..hängt vom Radius ab:
H ~ 1/R
H. Zabel 11. Lektion: Kohäsion - Adhäsion 21
H

Unterschied zwischen kapillaren
und kommunizierenden Röhren
Kommunizierende Röhren betonen die Gleichheit, Kapillarität erzeugt
Unterschiede.
Kommunizierend Röhren und Kapillarität sind gegenläufige
Erscheinungen. Kommunizierende Röhren beruhen auf
Druckausgleich, Kapillarität auf Adhäsion von Flüssigkeit an der
Gefäßoberfläche.
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Beispiele für Kapillarität
Gefäßsysteme
in Pflanzen
und
Lebewesen
Papier-
Chromatographie für
Gen-Analysen
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Öl im
Kerzendocht

Bezug zur Medizin
• Surfactants in der Lunge
• Zellmembranen
H. Zabel 9. Lektion: Elastomechanik 24

Atmung und Atmungsorgane
H. Zabel 11. Lektion: Kohäsion - Adhäsion 25

Oberflächenspannung in den
Alveolen (Lungenbläschen)
Man erkennt die Wand der
Alveolen (unten und rechts)
sowie den gelartigen
Überzug ihrer Oberfläche (=
'Surfactant', hier mit
streifenartiger Musterung),
der ein Kollabieren der
Alveolen verhindert. Die aus
Epithelzellen bestehende
Alveolarwand bildet mit dem
Zwischenzellraum und der
Kapillarwand die Blut-Luft-
Schranke.
Prof. Dr. med. D. Grube http://www.mh-hannover.de/institute/mikroskopanatomie/surfactant.htm
H. Zabel 11. Lektion: Kohäsion - Adhäsion 26

Wirkung von Rauchen
Raucherlunge Gesunde Lunge
Rauchen zerstört nicht nur die Atemwege und die Aveolen, sondern
insbesondere die Surfactants in den Aveolen.
H. Zabel 11. Lektion: Kohäsion - Adhäsion 27

Membranendoppelschicht
der biologischen Zelle
Hydrophiler Kopf, benetzend
Hydrophober
wasserabstoßender
Schwanz, nicht benetzend
Hydrophiler Kopf
H. Zabel 11. Lektion: Kohäsion - Adhäsion 28

Trennung von Außen- und
Innenräumen in wässriger Umgebung
Die Zellmembrane enthält im
Inneren kein Wasser, aber
Wasser kann durch die
Zellmembrane durch
diffundieren, um den
osmotischen Druck
auszugleichen (s. Lektion 24)
H. Zabel 11. Lektion: Kohäsion - Adhäsion 29

Zusammenfassung
� Oberflächenspannung ist die Kraft pro Längeneinheit um
eine Oberfläche zu vergrößern
� Kontaktwinkel bestimmt die Benetzungseigenschaft einer
Flüssigkeit auf einer festen Oberfläche
� Kohäsion = Wechselwirkung zwischen Molekülen des
gleichen Stoffes
� Adhäsion = Wechselwirkung zwischen Molekülen an
Grenzflächen verschiedener Stoffe (Phasen)
� Kapillarität entsteht in dünnen Röhren durch
Adhäsionskräfte
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