Waarom sommige organismen op water kunnen lopen

Je hebt het al wel eens gezien, insecten en kleine reptielen die op water lopen. Dit is mogelijk dankzij de grote oppervlaktespanning die water vertoont. Het wateroppervlak gedraagt zich als een rekbaar vlies dat stevig genoeg is om kleine organismen die hun gewicht over het oppervlakte kunnen verdelen, te dragen.

Inhoud

• Dichtheid
• Dichtheid van stoffen
• Voorbeelden
• Dichtheid t.o.v. water
• Oppervlaktespanning
• Tegenstrijdige waarnemingen
• Minimale potentiële energie
• Factoren die de oppervlaktespanning beïnvloeden
• Kunnen mensen op water lopen?

Dichtheid

Dichtheid van stoffen

De dichtheid (ρ) van een stof = m_stof/V_stof

Voorbeelden

• ρ_kwik = 13.5g/mL, indien je dus 1 mL kwik op een weegschaal brengt, zal de weegschaal 13.5g aangeven.
• ρ_water = 1g/mL
• ρ_ethanol = 0.79g/mL
• ρ_zeewater = 1.024g/mL
• ρ_goud = 19.2g/mL
• ρ_staal = 7.8g/mL
• ρ_barnsteen = 1g/mL
• ρ_olijfolie = 0.92g/mL

Dichtheid t.o.v. water

Stoffen met een grotere dichtheid dan water zinken in water. Een blokje goud in water zal dus zinken en uiteindelijk op de bodem vallen. Stoffen met dezelfde dichtheid als water zweven in water. Een blokje barnsteen zal dus in het midden van een waterkolom zweven. Stoffen met een kleinere dichtheid dan water drijven op water. Olijfolie zal een laagje vormen boven op water. Dit geldt voor elke soort olie trouwens. Je zou ook verwachten dat ethanol op water zou drijven. Dit gebeurt echter niet omdat ethanol goed oplost in water en ethanolmoleculen zich dus tussen de watermoleculen gaan begeven.

Oppervlaktespanning

Tegenstrijdige waarnemingen

Een blokje staal zal in water onmiddellijk de bodem zoeken. Dit klinkt logisch omdat de dichtheid van staal bijna 8 keer groter is dan die van water. Een scheermesje van staal drijft echter wel op het water. Dit komt door de oppervlaktespanning van water. Het grensoppervlakte van water gedraagt zich als een gerekt vlies. In figuur 1 is een bak water voorgesteld. We beschouwen twee watermoleculen in de bak, enerzijds molecule A die zich in het midden van de watermassa bevindt en anderzijds molecule B die zich aan het grensoppervlak bevindt.

Molecule A ondergaat krachten in alle richtingen. Deze krachten zijn allen gelijk en heffen elkaar dus op. De resulterende kracht op A is dus nul. Voor molecule B is resultante van de inwerkende krachten naar de vloeistof gericht omdat de aantrekkingskrachten door de luchtmoleculen te verwaarlozen zijn. Moleculen in de onmiddellijke omgeving van het vloeistofoppervlak ondervinden dus allen een kracht die hen binnen de vloeistofmassa tracht te trekken. De resultante van al deze krachten per oppervlakte-eenheid is de oppervlaktespanning.

Daar een vloeistofdeeltje aan het grensoppervlak in de vloeistofmassa wordt gezogen moet er op het deeltje arbeid worden uitgeoefend om dit naar het grensoppervlak te brengen. Deeltjes aan het grensoppervlak bezitten dus potentiële energie.

Minimale potentiële energie

Omdat alle gesloten systemen streven naar minimale potentiële energie moet een systeem een zo klein mogelijk grensoppervlak bezitten. Beschouw drie eenvoudige geometrische vormen: de bol, de kubus en de balk. Hiervan kunnen we met eenvoudige formules de oppervlakte en het volume berekenen.

Bol

• Oppervlakte: 4.π.r²
• Volume: 4/3.π.r³

Kubus

• Oppervlakte: 6.z²
• Volume: z³

Balk

• Oppervlakte: 2.b² + 4.b.h
• Volume: b².h

Stel het volume van de drie volumes 10 m³ en stel de hoogte van de balk gelijk aan 3 m. Hiermee kan je dan de straal van de bol, de zijde van de kubus en de breedte van de balk berekenen.

• r = 1.3 m
• z = 2.2 m
• b = 1.8 m

Als je met de verkregen waarden de oppervlakten van de geometrische vormen berekent, krijg je onderstaande waarden.

• Bol: 21.2 m²
• Kubus: 29.0 m²
• Balk: 31.3 m²

De bol heeft voor een gegeven volume het kleinste oppervlakte. Alle vloeistoffen streven naar een zo klein mogelijke oppervlakte, dus naar de bolvorm. De oppervlaktespanning zorgt dus voor de gebogen vorm van de vloeistof wegens het streven naar dit kleinste oppervlak. Deze spanning zorgt ervoor dat sommige organismen op water kunnen lopen.

Voorbeelden

• Druppels uit de kraan nemen een bolvorm aan.
• Regendruppels zijn allemaal bolletjes.
• Wanneer je vet in water brengt en roert zal je zien dat er kleine vetbolletjes in het water drijven.
• Kwikdruppels.

Factoren die de oppervlaktespanning beïnvloeden

• Tensioactieve stoffen (detergenten) zullen de oppervlaktespanning vernietigen. Water zal in staat zijn om een groter oppervlakte in te nemen en zal dus ook kunnen schuimen.
• Bij verhoging van de temperatuur neemt de oppervlaktespanning af. Bij hogere temperaturen zullen detergenten dus nog beter hun werk kunnen doen. Er ontstaat dus meer schuim bij hogere temperaturen.

Kunnen mensen op water lopen?

Sommige dieren kunnen dit maar de mens kan dit echt niet. Dit komt omdat een mens zijn gewicht niet voldoende kan verdelen op een oppervlakte en de spanning van de mens op een wateroppervlak dus groter is dan de oppervlaktespanning van water.