Πείραμα: Χρώματα στο γάλα

Σχετική ύλη:

Χημεία Β Γυμνασίου και Β Λυκείου Κατεύθυνσης

Βιολογία Γ Γυμνασίου και Γ Λυκείου

Πρόλογος

Τα εντυπωσιακά πειράματα προσελκύουν τους μαθητές και τους παρέχουν κίνητρα ώστε να εμπλέκονται οικειοθελώς στη διαδικασία. Επέλεξα το πείραμα «χρώματα στο γάλα», στο οποίο χρησιμοποιούμε ακίνδυνα, με μικρό κόστος, καθημερινής χρήσης υλικά και εξηγούμε τα φαινόμενα που συμβαίνουν στην επιφάνεια ενός υγρού.

Στόχοι

Οι μαθητές να μπορούν

      Να ερμηνεύουν με βάση τις ιδιότητες του νερού το σχηματισμό στιβάδας στην επιφάνεια

      Να διαισθάνονται τι συμβαίνει στην επιφάνεια των υγρών

      Να ορίζουν τι είναι υδρόφιλο και υδρόφοβο μόριο

      Να προβλέπουν πότε «σπάει» η επιφανειακή τάση

      Να εξηγούν και άλλα φαινόμενα (πχ έντομο που περπατάει στο νερό, το ξυραφάκι που επιπλέει) με βάση την επιφανειακή τάση

Λεξιλόγιο

Επιφανειακή τάση, ομοιοπολικός πολωμένος, ηλεκτραρνητικότητα, πολική ένωση, πολωμένο μόριο, υδρόφιλο-υδρόφοβο, επιφανειοδραστικό, ενέργεια επιφάνειας, απορρυπαντικό

Υλικά

● 1 πιάτο

● 1 οδοντογλυφίδα

Πορεία πειράματος

Βάζουμε γάλα σε ένα πιάτο και ρίχνουμε μερικές σταγόνες από βαφές ζαχαροπλαστικής. Στη συνέχεια βάζουμε στην άκρη μιας οδοντογλυφίδα λίγο υγρό πιάτων και την ακουμπάμε στο γάλα στο κέντρο του πιάτου. Υποβάλουμε στους μαθητές τις ερωτήσεις:

•      Τι παθαίνουν τα χρώματα όταν τα βάζουμε στο γάλα;

•      Τι  γίνεται όταν ρίχνουμε σαπούνι;

•      Προς ποιά κατεύθυνση κινείται η βαφή;

•      Η κίνηση θα κρατήσει για πάντα;

•      Αν σταματήσει τι θα γίνει αν ρίξουμε και δεύτερη σταγόνα;

Σχήμα 1. Μόλις ρίξουμε το σαπούνι αρχίζουν τα χρώματα να «χορεύουν»

Τι συμβαίνει;

•         Τα χρώματα έχουν μικρότερη πυκνότητα απ΄το γάλα και επιπλέουν

•         Το σαπούνι ελαττώνει την επιφανειακή τάση στο γάλα διαλύοντας το λίπος

•         Η επιφάνεια του γάλακτος μακρυά από το σαπούνι έχει μεγαλύτερη επιφανειακή τάση. Έτσι τραβάει την επιφάνεια παρασύροντας τις βαφές μακρυά από το σημείο που έπεσε το σαπούνι

•         Λόγω θερμότητας που παράγεται από την κίνηση της επιφάνειας η βαφή μπορεί να βυθιστεί στο γάλα και να εμφανιστεί σε άλλο σημείο

•         Καθώς η βαφή αναμιγνύεται με το γάλα, τα χρώματα σταματούν να «χορεύουν»

•         Ο χορός ξεκινάει αν ρίξουμε και δεύτερη σταγόνα

Εμβαθύνουμε τη γνώση:

Εξηγήσαμε ότι το σαπούνι ελαττώνει την επιφανειακή τάση του νερού που έχει το γάλα και τώρα πρέπει να εμβαθύνουμε:

1.      Τι είναι επιφανειακή τάση;

2.      Τι είναι το σαπούνι και γιατί ελαττώνει την επιφανειακή τάση;

Τι είναι η επιφανειακή τάση;

Επιφανειακή τάση είναι η δύναμη που ασκούν τα μόρια της επιφάνειας ενός υγρού σε κάποιο σώμα πάνω σε αυτήν.

Ας εξετάσουμε λοιπόν τι συμβαίνει σε ένα υγρό, το νερό. Στο νερό γνωρίζουμε ότι ο δεσμός μεταξύ οξυγόνου και υδρογόνου είναι ομοιοπολικός πολωμένος, εξαιτίας της διαφοράς ηλεκτραρνητικότητας των δύο ατόμων. Τα κοινά ηλεκτρόνια του ομοιοπολικού δεσμού περνούν περισσότερο χρόνο γύρω από άτομο του οξυγόνου. Έτσι το οξυγόνο έχει μια περίσσεια αρνητικού φορτίου δ^-, ενώ κάθε ένα από τα δυο υδρογόνα έχει έλλειμα ηλεκτρονίων και φορτίζεται θετικά δ⁺

Σχήμα 2. Το μόριο του νερού είναι πολωμένο

Τι γίνεται λοιπόν όταν έχουμε πολλά μόρια νερού μαζί; Έστω λοιπόν 4 μόρια νερού (σχήμα 3.1). Τα μόρια αυτά μπορούν να πλησιάσουν μεταξύ τους με τέτοιο τρόπο, ώστε τα θετικά φορτισμένα υδρογόνα του ενός μορίου να «κοιτούν» το αρνητικά φορτισμένο οξυγόνο του άλλου. (Εξηγούμε ότι πρόκειται για δεσμούς υδρογόνου). Έτσι εξασφαλίζεται ότι τα όμοια φορτία που απωθούνται δεν θα έρθουν σε επαφή (σχήμα 3.2). Επομένως η δυναμική ενέργεια που οφείλεται σε απώσεις όμοιων φορτίων, ελαχιστοποιείται.

Τι συμβαίνει όμως στην επιφάνεια του νερού;

v  Μεταξύ των μορίων νερού ελκτικές δυνάμεις

v  Στην επιφάνεια δεν είναι προς όλες τις κατευθύνσεις

v  Κάποια φορτία μένουν ελεύθερα

v  Αυτό ανεβάζει τη δυναμική ενέργεια της επιφάνειας

v  Σχηματίζεται μια ξεχωριστή στιβάδα στην επιφάνεια

v  Η δημιουργία επιφανειακής στιβάδας στους 25°C θέλει ενέργεια

73 erg cm^-2

1erg=1dyn cm= 624.15 GeV

Σχήμα 4. Τα μόρια νερού στην επιφάνεια έλκονται μόνο από τα εσωτερικά μόρια και τα άλλα μόρια της επιφάνειας. Τα μόρια στο εσωτερικό δέχονται ελκτικές δυνάμεις από όλες τις κατευθύνσεις.

Πως μετράμε την επιφανειακή τάση;

     

Με τον συντελεστή επιφανειακή τάσης. O συντελεστής επιφανειακής τάσης γ, ισούται με τη δύναμη F που ασκείται πάνω στη μονάδα μήκους ℓ μιας θεωρούμενης γραμμής πάνω στην επιφάνεια του υγρού, ή με το έργο dW που απαιτείται για να αυξηθεί η επιφάνεια του υγρού κατά dS, δηλαδή:

      F = dE/dX = g dℓ

      dE = g dℓ dX = g dS

     Αν mg<< γ ℓ έχουμε επίπλευση (Vogel, 1988) 

Τι γίνεται με τα ελεύθερα φορτία στην επιφάνεια;

Θυμηθείτε: στην επιφάνεια οι ελκτικές δυνάμεις μεταξύ μορίων νερού δεν ασκούνται προς όλες τις κατευθύνσεις με αποτέλεσμα κάποια φορτία να μένουν ελεύθερα. Αυτό ανεβάζει τη δυναμική ενέργεια της επιφάνειας. Πως μπορούμε να την ελαχιστοποίησουμε;

Η απάντηση είναι: εξουδετερώνοντας τα ελεύθερα φορτία στην επιφάνεια, με αντίθετα φορτισμένα σωματίδια. Πρέπει να επιλέξουμε δηλαδή τα κατάλληλα ιόντα ώστε να ελαττώσουμε τη δυναμική ενέργεια της επιφάνειας.

Σχήμα 5. Προσρόφηση ιόντων στην επιφάνεια του νερού

Εφόσον ελαττώθηκε η δυναμική ενέργεια στην επιφάνεια, είναι τώρα πιο εύκολο να «απλωθεί» η επιφάνεια του νερού. Δηλαδή: Οι παραμορφώσεις που «απλώνουν» την επιφάνεια ευνοούνται και γίνονται αυθόρμητα. Έτσι η επιφανειακή τάση του νερού ελαττώνεται.

Τι είναι το σαπούνι;

Μπορούμε να επιλέξουμε οποιοδήποτε ιόν για την εξουδετέρωση των επιφανειακών φορτίων;

Φυσικά. Μπορούμε να ρίξουμε μια ιοντική ένωση, όπως ένα αλάτι, πχ. ΝaCℓ. Γιατί ρίχνουμε σαπούνι; Το δραστικό μόριο σε ένα σαπούνι (σχήμα 6.1.) είναι ταυτόχρονα και πολικό (υδρόφιλο) και μη πολικό (υδρόφοβο) μόριο και «σπάει» την επιφανειακή τάση του νερού. Το σαπούνι δηλαδή δρα στην επιφάνεια του νερού. Είναι δηλαδή επιφανειοδραστικό. Αποτελείται από:

-          Ένα πολικό τμήμα (υδρόφιλο κεφάλι) - Έλκεται από το νερό

-          Ένα μη πολικό τμήμα (υδρόφοβη ουρά) - Απωθείται από το νερό

-          Αντισταθμιστικό ιόν

Πως λειτουργεί το σαπούνι;

Δηλαδή στο σαπούνι, έχουμε το πολικό τμήμα, που μας δίνει το ιον που θα ρίξει την επιφανειακή τάση του νερού και ένα μη πολικό τμήμα. Σε αυτό το μη πολικό τμήμα οφείλεται η απορρυπαντική δράση του σαπουνιού. Οι ρύποι που μπορούμε να καθαρίσουμε με σαπούνι είναι οργανικές ενώσεις με μεγάλες μη πολικές ανθρακικές αλυσίδες (πχ. λίπη). Αυτές όταν βρεθούν σε υδατικό περιβάλλον απωθούνται από το νερό, όχι όμως από το μη πολικό τμήμα της επιφανειοδραστικής. Καθώς αυξάνεται η συγκέντρωση της επιφανειοδραστικής τα μη πολικά τμήματα περικυκλώνουν το ρύπο και ταυτόχρονα οι πολικές κεφαλές έλκουν το νερό. Έτσι η επιφανειοδραστική επιτρέπει στο νερό να έρθει πιο κοντά στο λίπος και να το διαλύσει (σχήμα 7).

Τώρα μπορούμε να εξηγήσουμε

1. Γιατί επιπλέει το ξυραφάκι; Παρόλο που p_{ξυραφάκι}= 8p_νερού

Σχήμα 8.1. Το ξυραφάκι επιπλέει παρότι έχει 8πλάσια πυκνότητα

Σχήμα 8.2. Κάθε σώμα στην επιφάνεια ενός υγρού δέχεται την επιφανειακή τάση

Που είναι το μυστικό;

-        g = 73 erg/cm² = 73 dyne-cm/cm² = 73 dyn/cm

-        73 dynes/cm είναι η δύναμη που έχει ένα δάκρυ

-        Αν στιβάξουμε τα χαρτιά μιας τράπουλας στο νερό θα μοιάζει όπως στο σχήμα 9

-        Η επιφάνεια σπάει όταν η τάση στη στίβα ξεπερνάει τις 73 dynes/cm

Το νερό κάνει τα πάντα να εξοικονομήσει ενέργεια 

_{2. Γιατί το έντομο περπατάει στο νερό;}

3. Γιατί οι σταγόνες του νερού είναι σφαιρικές

Το σχήμα της σφαίρας εξασφαλίζει τη μικρότερη δυνατή δυναμική ενέργεια στα μόρια του νερού στην επιφάνεια της σταγόνας. Έτσι το νερό εξοικονομεί ενέργεια.

Και τώρα... Πως θανικήσουμε τα έντομα που ΠΕΡΠΑΤΑΝΕ ΣΤΟ ΝΕΡΟ

      Απλά βάζουμε σαπούνι και ΤΗΝ ΠΑΤΗΣΑΝ!

      Και έτσι γελάμε τελευταίοι...

Φύλλο αξιολόγησης

1. Συμπληρώστε τα κενά:

Τα μόρια στην ..................... ενός υγρού υπόκεινται σε ισχυρές ................. δυνάμεις από τα μόρια του .................... του. Η συνολική δύναμη σε ένα σημείο στην επιφάνεια τείνει να ..................... την επιφάνεια του υγρού, ώστε να ................  η δυναμική ενέργεια των μορίων του υγρού.

2. Ποιές από τις παρακάτω ενώσεις είναι πολικές; Ποιές από αυτές τις ενώσεις σπάνε την επιφανειακή τάση του νερού;

α. CH₃CH₂OH                    γ. C₆H₆

β. NaCl                                δ. CH₃CH₃

3. Κοιτώντας το παρακάτω σχήμα εξηγήστε:

α.Τι από τα παρακάτω μπορούμε να πούμε ότι ισχύει για το μόριο που ακουμπάει την επιφάνεια του νερού:

i. είναι πολικό

ii. είναι υδρόφοβο

iii. απλώνει την επιφάνεια του υγρού

β.Πως διατάσσεται το επιφανειοδραστικό μόριο στην επιφάνεια του νερού;

γ.Γιατί αλλάζει η επιφ/κή τάση του νερού;

δ.Πως μεταβάλλεται η δυναμική ενέργεια της επιφάνειας όταν ρίξουμε σαπούνι. Γιατί;

Ηλεκτρονική Βιβλιογραφία

http://www.coolscience.org/CoolScience/KidScientists/tiedyemilk.htm

http://users.sch.gr/ppoulio/animation 20nea/epifaniaki tasi.swf

http://users.ntua.gr/ch02123/ergasies/epifaneia.pdf

users.auth.gr/~kkaratas/teaching/pcl/lab5/exer5.pdf