Experiment: Van-der-Waals-Kräfte

Experiment 1: Die „klebende" Visitenkarte

Mit diesem einfachen Experiment kannst du die Wirkung der Van-der-Waals-Kräfte zwischen zwei glatten Oberflächen beobachten.

Materialien:

• Zwei glatte Karten (Plastikkarten, Visitenkarten oder laminierte Karten)
• Wassertropfen
• Papiertücher

Durchführung:

1. Reinige die Oberflächen beider Karten gründlich.
2. Gib einen kleinen Wassertropfen auf eine der Karten.
3. Lege die zweite Karte vorsichtig auf die erste, sodass der Wassertropfen sich zwischen beiden Karten verteilt.
4. Versuche vorsichtig, die obere Karte abzuheben.

Beobachtung:

Die beiden Karten haften stark aneinander. Es erfordert eine beträchtliche Kraft, um sie zu trennen, besonders wenn man sie gerade nach oben ziehen möchte. Durch seitliches Verschieben lassen sie sich leichter trennen.

Erklärung:

Der dünne Wasserfilm zwischen den beiden glatten Oberflächen ermöglicht eine intensive Wirkung der Van-der-Waals-Kräfte. Die Wassermoleküle zwischen den Karten bilden schwache, aber zahlreiche Anziehungskräfte zu beiden Oberflächen. In ihrer Summe führen diese schwachen Kräfte zu einer starken Haftung.

Aufgaben:

1. Erkläre, warum sich die Karten leichter durch seitliches Verschieben als durch gerades Abheben trennen lassen.
2. Warum funktioniert das Experiment besser mit glatten als mit rauen Oberflächen?
3. Versuche das Experiment mit unterschiedlichen Flüssigkeiten (z.B. Öl, Alkohol). Notiere deine Beobachtungen und erkläre die Unterschiede.

Experiment 2: Der kletternde Gecko

In diesem Experiment erforschst du, wie Van-der-Waals-Kräfte es Geckos ermöglichen, an glatten Oberflächen zu haften.

Materialien:

• Klebebandstücke (verschiedene Sorten)
• Glatte Oberfläche (Glas, Plastik)
• Raue Oberfläche (z.B. Papier)
• Kleines Gewicht

Durchführung:

1. Klebe ein Stück Klebeband an die glatte Oberfläche, sodass ein Teil übersteht.
2. Hänge das kleine Gewicht an den überstehenden Teil.
3. Beobachte, wie lange das Klebeband das Gewicht halten kann.
4. Wiederhole das Experiment mit der rauen Oberfläche.
5. Vergleiche verschiedene Klebebandsorten auf ihrer Haftfähigkeit.

Beobachtung:

Das Klebeband haftet deutlich besser an der glatten als an der rauen Oberfläche. Verschiedene Klebebandsorten zeigen unterschiedliche Haftfähigkeiten.

Erklärung:

Ähnlich wie bei den Haftlamellen an Geckofüßen wirken hier Van-der-Waals-Kräfte zwischen dem Klebstoff und der Oberfläche. Bei glatten Oberflächen ist der Kontakt großflächiger, wodurch mehr Van-der-Waals-Kräfte wirken können. Geckos nutzen dieses Prinzip mit Millionen mikroskopisch kleiner Härchen an ihren Füßen, um an glatten Wänden zu klettern.

Interaktives Element: Geckolamellenstruktur

Aufgaben:

1. Erkläre, wie der Aufbau der Geckofüße mit dem Prinzip der Van-der-Waals-Kräfte zusammenhängt.
2. Berechne die ungefähre Gesamtkontaktfläche, wenn ein Gecko etwa 500.000 Härchen pro Fuß hat und jedes Härchen eine Kontaktfläche von ca. 200 nm² bietet.
3. Recherchiere, welche technischen Anwendungen die Geckostruktur nachahmen (Stichwort: Biomimetik).
4. Erkläre, warum ein Gecko trotz der starken Haftung seine Füße mühelos abheben kann.

Experiment 3: Löslichkeitsvergleich

In diesem Experiment untersuchst du, wie Van-der-Waals-Kräfte die Löslichkeit verschiedener Stoffe beeinflussen.

Materialien:

• Verschiedene Lösungsmittel (Wasser, Ethanol, Hexan)
• Verschiedene Stoffe (Kochsalz, Zucker, Jod, Wachs)
• Reagenzgläser
• Reagenzglasständer

Durchführung:

1. Fülle jeweils ein Reagenzglas mit den verschiedenen Lösungsmitteln.
2. Gib zu jedem Lösungsmittel eine kleine Menge der zu testenden Stoffe.
3. Beobachte die Löslichkeit der verschiedenen Stoffe.
4. Notiere deine Beobachtungen in einer Tabelle.

Ergebnistabelle zum Ausfüllen:

Erklärung:

Die Löslichkeit hängt maßgeblich von den zwischenmolekularen Kräften zwischen Lösungsmittel und gelöstem Stoff ab. Polare Stoffe lösen sich besser in polaren Lösungsmitteln („Gleiches löst Gleiches"). Unpolare Stoffe wie Jod oder Wachs werden hauptsächlich durch Van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten und lösen sich daher gut in unpolaren Lösungsmitteln wie Hexan.

Aufgaben:

1. Erkläre anhand der Ergebnisse das Prinzip „Gleiches löst Gleiches".
2. Wie erklärst du die unterschiedliche Löslichkeit von Jod in den drei Lösungsmitteln?
3. Warum wird Ethanol manchmal als „Universallösungsmittel" bezeichnet? Erkläre anhand der molekularen Struktur von Ethanol.
4. Ordne die folgenden Wechselwirkungen nach ihrer Stärke: Van-der-Waals-Kräfte, Wasserstoffbrückenbindungen, ionische Bindungen, kovalente Bindungen.

Quiz: Van-der-Waals-Kräfte

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