Der Gecko an der Glasscheibe
AFB I–IIGeckos laufen kopfüber an Glasscheiben entlang. Ihre Fußsohlen tragen Millionen feinster Härchen, die sich an den Enden noch weiter in winzige Plättchen aufspalten. Kommen diese Plättchen der Oberfläche bis auf weniger als einen Millionstel Millimeter nahe, haften sie — ganz ohne Klebstoff.
- Stelle in einer beschrifteten Skizze dar, wie zwischen zwei unpolaren Teilchen ein temporärer und ein induzierter Dipol entstehen.
- Deute die Beobachtung, dass der Gecko nur haftet, wenn die Plättchen der Glasoberfläche extrem nahe kommen.
- Stelle eine begründete Vermutung auf, warum der Gecko Millionen feiner, verzweigter Härchen statt einer glatten, harten Sohle besitzt.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Skizze: Im ersten Teilchen sind die Elektronen kurzzeitig zu einer Seite verschoben (δ−/δ+). Die δ−-Seite stößt die Elektronen des Nachbarteilchens ab, dort entsteht auf der zugewandten Seite δ+, auf der abgewandten δ−. Zwischen δ− und δ+ der benachbarten Teilchen wirkt Anziehung.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Van-der-Waals-Kräfte wirken nur auf sehr kurze Entfernung: Mit wachsendem Abstand wird die Beeinflussung der Elektronen im Nachbarteilchen rasch schwächer. Nur wenn die Plättchen fast berühren, entsteht eine spürbare Anziehung.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Eine harte Sohle berührt eine raue Oberfläche nur an wenigen Punkten. Viele feine, biegsame Härchen passen sich den Unebenheiten an und kommen sehr vielen Stellen extrem nahe. So wird die wirksame Kontaktfläche groß, und die Summe der vielen schwachen Van-der-Waals-Kräfte trägt das Tier.
Sommer- und Winterbenzin
AFB II–IIIBenzin ist ein Gemisch vieler Kohlenwasserstoffe. Im Winter mischen Raffinerien mehr leicht verdampfende Bestandteile bei, damit der Motor auch bei Kälte gut anspringt. Einige Bestandteile:
| Stoff | Formel | Sdp. |
|---|---|---|
| 2,2-Dimethylbutan | C₆H₁₄ | 50 °C |
| 2-Methylpentan | C₆H₁₄ | 60 °C |
| Hexan | C₆H₁₄ | 69 °C |
| Heptan | C₇H₁₆ | 98 °C |
| Nonan | C₉H₂₀ | 151 °C |
- Werte die Tabelle im Hinblick auf zwei Einflussgrößen auf die Siedetemperatur aus und erkläre beide mit den Van-der-Waals-Kräften.
- Bestimme mithilfe der Tabelle einen Schätzwert für die Siedetemperatur von Decan (C₁₀H₂₂).
- Beurteile, ob es sinnvoll ist, Winterbenzin mehr 2,2-Dimethylbutan und weniger Nonan beizumischen, und nenne einen Nachteil, wenn man dieses Benzin im Sommer tankt.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Verzweigung: Bei gleicher Summenformel C₆H₁₄ sinkt die Siedetemperatur mit zunehmender Verzweigung (69 → 60 → 50 °C), weil kompaktere Moleküle eine kleinere Kontaktfläche haben. Kettenlänge: Von Hexan über Heptan zu Nonan steigt sie (69 → 98 → 151 °C), da längere Moleküle mehr Elektronen und eine größere Oberfläche besitzen — die Van-der-Waals-Kräfte werden stärker.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Von Heptan zu Nonan: 53 K für zwei CH₂-Gruppen, also etwa 26 K je Gruppe. Decan: \(151\,°\text{C} + 26\,\text{K} \approx 177\,°\text{C}\) (Literaturwert 174 °C; die Zunahme wird mit wachsender Kette etwas kleiner).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Sinnvoll: 2,2-Dimethylbutan siedet schon bei 50 °C und verdampft auch bei Kälte in merklichem Umfang, sodass im Zylinder ein zündfähiges Gemisch entsteht; Nonan verdampft kaum. Nachteil im Sommer: Die leicht flüchtigen Bestandteile verdunsten bei Hitze stark — Verluste beim Tanken, Geruch und Gasblasen in den Leitungen können auftreten. Die Anpassung an die Jahreszeit ist daher begründet.