Wie kriege ich die Meereswellen zusammen mit einem Nussschiffchen in eine Flasche – und warum vermischen sich Öl und Wasser nicht?

In diesem Experiment werden wir eine Art Meer samt Wellen produzieren und sogar ein kleines Boot daraufsetzen, dank der Eigenschaften des Öls und des Wassers.

Was brauchen wir?

  • leere Flasche
  • Wasser
  • Öl
  • Lebensmittelfarbstoff
  • Pekannuss (optional) - ihr könnt versuchen, sie auch durch eine andere Nussart zu ersetzen

Das Experiment

Den Ablauf des Experiments kannst du in dem kurzen Film sehen:

Tipp: Es ist empfehlenswert, dem Wasser Kochsalz beizufügen. Das begünstigt die Trennung von Wasser und Öl.

In dem Experiment begegnen wir einer Kombination von drei verschiedenen Erscheinungen: das Öl schwimmt auf dem Wasser, das Öl vermischt sich nicht mit dem Wasser, und das Wasser (das „Meer“) in der Flasche bewegt sich viel langsamer als gewöhnlich. Da jede der Erscheinungen einen anderen Grund hat, wird jede einzeln erklärt.

Auftrieb

In dem Experiment haben wir eine 1,5-Liter-Flasche benutzt und sie zu einem Drittel mit Wasser (also ca. 500 ml Wasser) und zu zwei Dritteln mit Öl (ca. 1.000 ml) gefüllt. Hätten wir das Wasser und das Öl abgewogen, dann wären wir auf ein interessantes Faktum gestoßen: das eingefüllte Wasser wiegt 500 Gramm, und das eingefüllte Öl wiegt ca. 900 Gramm. Obwohl also das eingefüllte Öl viel schwerer ist als das eingefüllte Wasser, schwimmt es auf dem Wasser – gerade der Stoff, der schwerer ist, schwimmt obenauf. Ob nämlich ein Stoff schwimmt oder sinkt,  hängt nicht von seinem Gewicht ab, also nicht davon, ob er leicht oder schwer ist. Entscheidend dafür, ob Stoffe schwimmen oder sinken, ist eine andere Größe – die Dichte oder das spezifische Gewicht, definiert als Verhältnis zwischen dem Gewicht und dem Volumen. Wasser hat eine Dichte von 1 Gramm pro Milliliter, während das Öl eine Dichte von 0,9 Gramm pro Milliliter hat. 

Das Auftriebsprinzip wurde durch den griechischen Wissenschaftler Archimedes (vor ca. 2.200 Jahren) entdeckt und besagt, einfach ausgedrückt, dass Stoffe mit niedriger Dichte (nicht mit niedrigem Gewicht) auf Stoffen mit hoher Dichte schwimmen, und umgekehrt. Weil Öl weniger dicht ist als Wasser, wird es immer auf dem Wasser schwimmen. Dabei ist es egal, ob es sich um einen Tropfen Öl in der Suppe oder einen ganzen Liter Öl auf wenig Wasser in einer Flasche handelt.

Am Ende des Experiments geben wir ein aus einer halben Pekannuss gebautes kleines „Boot“ in die Flasche. Die Pekannuss ist reich an Öl und enthält auch Wasser. Aus diesem Grund liegt ihre Dichte zwischen jener des Öls und jener des Wassers. Daher „positioniert“ sich die Pekannuss genau an der Grenze zwischen dem Wasser und dem Öl – und dient uns als Boot. Übrigens, wenn die Nuss bei euch nicht sinkt (das ist auch mir einmal passiert), dann habt einfach ein wenig Geduld. Die Nuss ist vermutlich relativ trocken. Schüttelt die Flasche ein paar Mal, und bis zum nächsten Morgen wird die Nuss schon genügend Wasser und Öl aufgesaugt haben und an die richtige Stelle sinken.

Wie Öl und Wasser

Wenn man ausdrücken will, dass zwei Sachen „sehr verschieden voneinander sind“ oder „nicht zusammenpassen“, dann sagt man in manchen Sprachen manchmal metaphorisch: „Sie sind wie Öl und Wasser.“ Und tatsächlich vermischen sich Öl und Wasser nicht miteinander. Eigentlich ist es genau das, was Öl als Öl definiert – der wissenschaftlichen Definition nach ist Öl eine organische Flüssigkeit, die nicht in Wasser löslich ist. 

Aber warum überhaupt lösen sich Öl und Wasser nicht ineinander auf? Um diese Frage zu beantworten, müssen wir verstehen, was es eigentlich bedeutet, dass zwei Stoffe sich ineinander auflösen. Alle Stoffe auf der Welt sind aus winzigen Teilchen aufgebaut, wie Moleküle, Atome oder Ionen. Wenn sich zwei Stoffe ineinander auflösen, dann bedeutet das, dass eigentlich ihre Teilchen sich miteinander vermischen. Handelt es sich um flüssige oder feste Stoffe, dann wirken zwischen den Teilchen, aus denen sie gebildet sind, starke Anziehungskräfte, die alle Teilchen zusammenhalten und einen „Block“ von Materie oder einen Flüssigkeitstropfen entstehen lassen. Wenn es diese starken Kräfte nicht gäbe, würden die Teilchen nicht beisammen bleiben – und wären eigentlich Gas.

Damit sich zwei Stoffe ineinander auflösen und sich auf der Teilchenebene miteinander vermischen, müssen sich also die Verbindungen öffnen, welche die Teilchen jedes der Stoffe zusammenhalten, sodass die Teilchen des jeweils anderen Stoffes eindringen (und neue Verbindungen eingehen) können. Die Art der Verbindungen, die Moleküle miteinander eingehen können, hängt vom spezifischen chemischen Aufbau jedes Moleküls ab. Zwischen den Wassermolekülen wirken sehr starke Anziehungskräfte (in der Sprache der Chemiker heißen sie Wasserstoffbrückenbindungen). Weil Öl einen anderen chemischen Aufbau hat, wirken  zwischen den Ölmolekülen nur viel schwächere Kräfte (in der Sprache der Chemiker heißen sie Van-der-Waals-Kräfte). Und deshalb können sich Ölmoleküle nicht zwischen Wassermoleküle schieben – sie sind einfach nicht imstande, die starken Verbindungen zwischen den Wassermolekülen „aufzubrechen“ und mit diesen ebenso starke Verbindungen einzugehen. Deshalb sind Öl und Wasser nicht ineinander löslich. Übrigens – meistens werden Stoffe, die in Öl löslich sind, nicht in Wasser löslich sein und umgekehrt, und auch in diesem Experiment sehen wir, dass die blaue Lebensmittelfarbe, die sich im Wasser auflöst, sich im Öl nicht auflöst und es überhaupt nicht färbt.

Zeitlupe

Wenn man die Flasche in verschiedene Richtungen neigt, bewegt sich darinnen das „Meer“, aber sehr langsam, was dem Experiment seine besondere Schönheit verleiht. Es wirkt, als sähen wir eine Filmaufnahme von Meereswellen, die in Zeitlupe abgespielt wird. Und was verlangsamt die Wasserwellen? Das Öl. Wenn eine gewöhnliche Wasserflasche nur teilweise gefüllt ist und wir die Flasche neigen, bewegt sich das Wasser mit einer entsprechenden Geschwindigkeit – die für uns normal ist. Wir müssen uns dabei vor Augen halten, dass eine nur halb gefüllte Flasche nicht wirklich „halbleer“ ist, sondern zur Hälfte mit Luft gefüllt, und wenn wir die Flasche umdrehen, dann fließt einerseits das Wasser in den unteren Teil, und gleichzeitig fließt die Luft in der Flasche in den oberen Teil. Luft ist ein sehr dünner Stoff, nachgiebig, und behindert den Wasserfluss nicht. Demgegenüber ist Öl ein zähflüssiger Stoff, und daher behindert er den Wasserfluss, wenn man die Flasche neigt. Damit Wasser fließen kann, muss das Öl ihm den Weg freigeben, und weil das Freigeben des Weges langsam erfolgt, rollen die „Meereswellen“ in der Flasche so langsam dahin.