Öl und Wasser

Warum schwimmt Öl auf Wasser oder auf Essig?

Dieser Frage begegneten wir im letzten MU Modul. Obwohl alle von uns Chemieunterricht hatten, wusste niemand genau, wie man diese Frage korrekt beantworten kann.
Ein Ansatz war, dass Öl einfach leichter ist als Wasser oder Essig. Tatsächlich, diese Aussage ist war. Dies konnten wir beweisen indem wir die gleiche Menge Öl und Essig wogen. Doch nimmt man soviel Öl, dass es gesamthaft schwerer ist als Essig, schwimmt es dennoch oben auf.
Nun habe ich in Chemiebüchern und im Internet nach der richtigen Antwort gesucht, damit wir ein für alle mal die richtige Lösung wissen.

Antwort:

Wie schon von einigen Studenten angenommen, schwimmt das Öl auf dem
Wasser /Essig, da es eine geringere Dichte hat. Öl hat eine Dichte von 0.8-0.9 kg/l und ist somit 10% leichter als Wasser

Was ist nun aber die Definition von Dichte?
Definition von Dichte:
Dichte (ρ)= Masse (m) durch Volumen (V).

Einheit:
ρ = kg/m³


Es ist schwierig, den Schülern die Dichte zu erklären, doch ich würde davor warnen den Kindern die inkorrekte Antwort zu geben, Öl sei einfach leichter.
Ich denke es ist nicht einmal eine so schlechte Idee, den Kindern die Dichte mit Kugeln zu erklären, welche weit oder sehr nahe beieinander liegen.

Ein Versuch zu Veranschaulichung:

Um den Kindern zu zeigen, dass das Öl tatsächlich eine geringere Dichte hat, kann man einen Versuch mit einem Eiswürfel machen.
Man stellt zwei Gläser hin. Das eine ist gefüllt mit Öl, das andere mit Wasser. Nun legt man in jedes Glas einen Eiswürfel. (Da muss man darauf achten, dass die Würfel wirklich die gleiche Grösse haben)
Die Kinder können nun beobachten, dass der Eiswürfel im Wasser obenauf schwimmt und der Eiswürfel im Öl sinkt.
Man könnte nun den Kindern erklären, dass es für den Eiswürfel im Wasser kaum einen Weg nach unten gibt, da ja alle Kugeln so nahe beieinander sind. Im Öl ist dies anders, da findet der Eiswürfel seinen Weg.

Ein weiteres Phänomen ist, dass sich das Wasser und das Öl nicht vermischen. An was liegt das?
Öl ist lipohpil (fettliebend) und Wasser ist hydrophil (wasserliebend). So stossen sich diese zwei Stoffe gegenseitig ab.
Man kann jedoch einen Emulgator dazu giessen und erhält so eine Emulsion (Gemisch)

Was sind Emulgatoren?
Emulgatoren sind Stoffe, die es ermöglichen, eigentlich nicht miteinander mischbare Komponenten in eine beständige Emulsion zu bringen. Emulgatoren zeichnen sich durch wichtige Eigenschaften aus, sowohl in Wasser als auch in Fett löslich zu sein. Die Moleküle eines Emulgators bestehen aus zwei Teilen, einem fettliebenden (lipophilen) und einem wasserliebenden (hydrophilen) Teil. Damit können sie die Grenzflächen zwischen zwei eigentlich unverträglichen Stoffen wie Fett und Wasser stabilisieren.

Interessanterweise wurde jedoch herausgefunden, dass man Wasser und Öl auch ohne Emulgatoren vermischen kann indem man die Luft abpumpt. Hierzu ein Artikel den ich im Internet gefunden habe:

Wie Öl und Wasser vermischt werden können

Wien - Öl und Wasser vermischen sich nicht - das galt bisher nicht nur inchemisch-physikalischen Forschungslabors, sondern auch in der Küche. Durch jüngste Experimente des Chemikers Ric Pashley von der Australian National University in Canberra kommt das Dogma nun ins Wanken.Ric Pashley entfernte die ansonsten stets vorhandene Luft aus dem Wasser und beobachtete eine spontane, dauerhafte Vermischung von Öl und Wasser, berichtet die Wissenschaftszeitschrift "New Scientist".Bringt man Wasser und Öl zusammen, kann man normalerweise noch so heftigschütteln, sobald man die Sache ruhig stehen lässt, schwimmt das Öl obenauf.Erst durch Zugabe so genannter Detergenzien - etwa Spülmittel - oderStabilisatoren kann eine homogene Flüssigkeit hergestellt werden. Dass Luftdabei eine Rolle spielt, war bisher unbekannt.

Wolkenartige Emulsion Pashley entfernte aus einer - vorerst natürlich erfolglosen -Wasser-Öl-Mischung sämtliche Gase, indem er die Luft abpumpte und dabei dasGemisch wiederholt abwechselnd einfror und auftaute. Was anschließendpassierte, überraschte auch den Chemiker: Es entstand spontan einewolkenartige Emulsion aus Wasser und Öl, die auch bestehen blieb, als siewieder der Luft ausgesetzt wurde.Auf die Idee kam Pashley, als er dünne, ölartige und Wasser abstoßendeOberflächen beobachtete. Beim Auseinanderziehen solche Filme bemerkte ermikroskopisch kleine Höhlen oder Bläschen, die vermutlich mit Gas aus demWasser gefüllt waren. Normales Wasser enthält stets physikalisch gelösteLuft, ohne Sauerstoff könnten Fische beispielsweise nicht überleben. (APA) Quelle: www.derstandard.at


Warum sinkt das Eis im Wasser nicht?

Auch diese Frage tauchte während dem letzten Modul auf. Die Antwort ist sehr spannend. Wasser verhält sich nämlich nicht so, wie all die andern Stoffe. Zum Beispiel sinkt eine Kerze in flüssigem Wachs und ein Stück Eisen hält sich nicht an der Oberfläche auf, wenn es in eine Eisenschmelze geworfen wird.
Warum sinkt dann das Eis nicht?
Auch hier hat die Antwort mit der Dichte zu tun. Die Dichte von Eis ist mit 0.92 g/cm3 geringer als die Dichte von flüssigem Wasser (1 g/cm3). Beim Gefrieren bildet sich nämlich eine Gitterstruktur mit Hohlräumen. Im Eis sind die Wasser-Teilchen dadurch weniger dicht gepackt als im flüssigen Wasser.

Eine Besonderheit des Wassers:
Das flüssige Wasser hat bei 4°C die größte Dichte. Dadurch dehnt es sich beim weiteren Abkühlen aus (sinkende Dichte führt zu Volumenausdehnung: V = m / ρ ), was die Ursache von Frostschäden und Verwitterung ist, wenn Wasser in Spalten eindringt und gefriert. Bei zugefrorenen Seen befindet sich so auch das 4°C warme Wasser am Seeboden, während kälteres Wasser mit geringerer Dichte nach oben steigt. Dies ermöglicht den Lebewesen im See zu überleben.