Varför smäller inte ballongen?

Tillhör kategori: aggregationsformer, fysikalisk kemi

Författare: Sofia Hylén

Introduktion Riktlinjer Säkerhet Materiel Förarbete Utförande Förklaring Kemisk bakgrund Fördjupning Litteratur Fler experiment

Varför smäller inte ballongen?

Tid för förberedelse: 10 minuter

Tid för genomförande: 10 minuter

Antal tillfällen: 1

Säkerhetsfaktor: Ofarligt

Svårighetsgrad: Busenkelt

Introduktion

När en upplåst ballong kommer för nära ett tänt ljus eller en varm lampa, så spricker den. Gummit tål inte den höga värmen. Men eftersom värme leds mellan olika material och alltid från varmt till kallt försöker vi i det här experimentet rädda ballongen genom att fylla den med vatten.

Riktlinjer

Experimentet lämpar sig att genomföras som demonstration.

Säkerhet

Inga farliga kemikalier användes. En brinnande ljus används, men för övrigt är experimentet ofarligt. Varna dock för smällen när ballongen spricker.

Ballonger sorteras som hushållsavfall/brännbart.

Materiel

Förarbete

Blås gärna upp den ballong som ska innehålla vatten ett par gånger i förväg, så att gummit blir mer töjbart. Om man sedan låter vattnet strömma in från en kran, töjer ballongen på sig och mer vatten får plats.

Utförande

  1. Tänd ett stearinljus.
  2. Blås upp ballong I med luft och knyt ett snöre runt ballongen.
  3. Placera lågan under ballongen - den spricker!
    Bild: © Svante Åberg

  4. Fyll ballong II med cirka ¼ vatten. Om möjligt så gör det från en kran, så att ballongen töjer ut sig och mer vatten får plats inuti.
  5. Blås sedan upp ballong II med luft och fäst ett snöre i ena änden.
  6. Placera lågan under den andra ballongen - den håller!
    Bild: © Svante Åberg

Variation

Effekten att värme avleds kan också visas genom att koka vatten i en pappers- eller plastmugg.

  1. Häll lite vatten (1 cm högt) i en kaffemugg av papper eller plast (med handtag).
  2. Håll muggen över ett stearinljus tills vattnet kokar!

Förklaring

Värmen från det tända ljuset får ballongen att spricka. Gummit tål inte så höga temperaturer. Om det däremot finns vatten i ballongen, kommer värmen ledas från det tunna ballonggummit till vattnet. Gummit kommer hela tiden ha samma temperatur som vattnet. Så länge vattnet inte kokar är temperaturen under 100 °C, en temperatur som ballongen tål.

Kemisk bakgrund

Vy för utskrift av kemisk bakgrund och fördjupning

Värme

Stearinljus som brinner är en förbränningsreaktion. Reaktionen är exoterm, d v s värme avges till omgivningen. Värme är en energiform som hör samman med atom- och molekylrörelserna i materialet.

Värmetransport

När värme överförs sker det alltid från ett system med högre temperatur (t.ex. lågan) till ett annat system med lägre temperatur (luften). Värmeenergi tecknas som Q och mäts i enheten Joule.

I experimentet strålar värme från ljuset ut till den omgivande luften och till det upplåsta gummit i ballongen. De varma luftpartiklarna stöter emot det fasta gummit vars partiklar börjar vibrera häftigare. Ballong I omges endast av den glesa luften och tar emot mer värme än det hinner avge till omgivande molekyler. Ballongen som är utsträckt och tunn behöver en liten mängd energi för att bryta sina bindningar och spricka upp. Smällen som hörs kommer från tryckförändringen när luften inuti ballongen trycks ut.

Värmeledning räddar ballongen med vatten

Värme kan ledas genom olika material och ju tunnare materialet är desto snabbare leds det. Gummihinnan i ballongen leder värmet mycket bra eftersom den är så tunn och i ballong II leds värmet vidare till vattnet inuti ballongen. Vattnet tar emot värmen och vattenmolekylerna får ökad rörelseenergi. Den värme som ballongen tar emot från ljuset leds alltså vidare till vattnet och hindrar därmed ballongen från så het att den spricker.

Vattnet i ballongen blir inte över 100 grader så länge det förekommer som vätska och därför blir inte gummit det heller. 100 grader är en temperatur som gummit tål och spricker inte. Av samma anledning kan vatten kokas upp i en pappersmugg. Pappen är tunn och leder värmen till vattnet som ju inte blir varmare än 100 grader, en temperatur som pappersmuggen tål.

Aggregationsformer och temperatur

Vatten i vätskeform blir inte mer än 100 grader (vid normalt lufttryck). Vid 100 grader har vattenmolekylerna tillförts så mycket energi, i form av rörelseenergi, att vätebindningarna som håller ihop vätskan brutits. De molekyler som har högst rörelseenergi lämnar vätskan som gas och kvar blir de långsammare och energifattigare. All extra värme som tillförs åtgår till att förånga resterande molekyler. Därför blir vattnet inuti ballongen aldrig över 100 grader. Temperaturen ändras inte fastän mer energi tillförs.

Motsvarande gäller när vattnet fryser till fast form vid 0 grader. Värme avgår då från vattnet och molekylerna rör sig alltmer långsamt. Vid 0 grader har molekylerna så låg rörelseenergi att de inte längre kan röra sig som i en vätska utan får en bestämd plats i iskristallen. Krafterna från värmerörelsen räcker inte att bryta bindningarna mellan molekylerna.

Värmekapacitet

Det krävs relativt mycket värme för att öka vattnets temperatur. Vatten sägs därmed ha en hög specifik värmekapacitet. Värmekapaciteten är förhållandet mellan den värme vi tillför ett ämne och den temperaturstigning föremålet får.

C = Q/dT
där C är värmekapaciteten, Q är värmet och T är temperaturen.

Värmekapaciteten beror på mängden av det ämne som värms upp. T ex så har 2 kg vatten dubbelt så stor värmekapacitet som 1 kg vatten. För att ta reda på den specifika värmekapaciteten för ett ämne divideras ämnets värmekapacitet med ämnets massa. Olika aggregationstillstånd inom samma ämne har också olika specifik värmekapacitet. Vatten värmekapacitet i fast fas (is) är 2,2 kJ/(kg °C) jämfört med i vätskeform 4,18 kJ/(kg °C).

Om du någon gång försökt äta en het pizza så har du känt skillnaden mellan olika ämnens värmekapacitet. Du bränner dig på såsen men kan lugnt äta brödkanten runt om.

När ämnet byter aggregationstillstånd, t ex då en vätska övergår till gasform, påverkar inte den tillförda värmen temperaturen. För att beräkna mängden energi som går åt för att värma ett ämne från flytande fas till gas måste man förutom att ta hänsyn till energin som krävs för att höja temperaturen även räkna med den energi som krävs för att byta aggregationstillstånd.

Värmetransport

Spontana processer leder (vanligtvis) till större oordning

Runt omkring oss sker vissa processer spontant medan andra inte gör det. "Spontan" betyder att något sker av sig själv utan att man behöver ingripa på något sätt. Man har sett att spontana processer leder alltid till ökad oordning i universum och partiklar. Det är en statistisk effekt som kan jämföras med att om du blandar en kortlek så är chansen större att korten hamnar i oordning än att de skulle hamna i ordning [hjärter ess, hjärter två, hjäjrter tre, ..., spader ess, spader två, ...].

Kemiskt kan man ta exemplet med två lösningar, en med och en utan lösta hushållsfärgmolekyler. Om lösningarna kommer i kontakt med varandra, t.ex. genom att vi plockar bort en skiljevägg, så kommer färgmolekylerna att vandra slumpmässigt (diffusion) på ett sådant sätt att koncentrationen av färg till slut blir lika hög överallt i hela bägare. Det innebär att ordningen med hög och låg koncentration för sig förändras mot en blandning med större oordning. Motsatsen, att färgmolekylerna i en lösning spontant skulle dela upp sig med all färg i ena halvan av bägaren, har aldrig någonsin observerats.

Entropi (S) är det vetenskapliga måttet på graden av oordning.

Värmetransporten sker från den varma till den kalla kroppen

Principen att spontana processer leder till större oordning, dvs högre entropi, gör att den spontana värmetransporten sker från den varma kroppen värme till den kallare. Värmet som först var ordnat i ett varmt och ett kallt område blandas, vilket innebär förändring från ordning till oordning. Motsatsen inträffar aldrig spontant.

I kemiska reaktioner inverkar även energin

Alla typer av spontana processer kan förklaras på liknande sätt. Men vid en kemisk reaktion ändras ämnenas egenskaper och det är krångligare att förklara spontaniteten. Om entropin ökar och energi avges så kan man dock vara säker på att processen är spontan (eventuellt behövs lite värme för att den ska komma igång). Ifall entropi- och enerigfförändringarna moteverkar varandra så kan man inte utan vidare säga om processen är spontan eller inte.

Ett exempel på en spontan kemisk reaktion är järn som rostar.

Metaller leder värme bra

Metaller som är fasta i rumstemperatur utgörs av en ordnad samling av atomer som omges av lättrörliga elektroner. De lättrörliga elektronerna bildar ett gemensamt elektronmoln för hela metallstycket. Bindningarna är inte riktade åt något håll och hela grupper av atomer kan förskjutas så att metallstycket deformeras. Då metallen blir varm och atomerna vibrerar får även elektronerna energi och sprider denna genom att kollidera med en granne och till slut en avlägsen atom som även den börjar vibrera häftigare. De rörliga elektronerna är effektiva transportörer av värme.

Diamant är också fast i rumstemperatur men leder värme mycket dåligt. Detta beror på att diamantens struktur är regelbunden och varje kolatom är kovalent bunden till fyra andra kolatomer. Det finns inget utrymme för elektrontransport som kan överföra värme (eller elektrisk ström). Diamant kan användas som isolator. I hemmet använder vi gärna aluminiumkastruller eftersom de leder värme från spisen bra. Vatten leder värme bättre än luft men mycket sämre än aluminium.

Naturgummi

Latex är råvara för som används i ballonger

Ballonger tillverkas av gummisaften latex. Latex är en vitaktig vätska som finns under barken på gummiträdet Hevea brasiliensis. Efter ett snitt i barken sipprar latexen ut och kan samlas upp och användas. Latex innehåller proteiner,vatten och polymeren polyisopren mm. Polyisopren är den molekyl som ger gummit den elastiska egenskapen. Om du sträcker ut gummit och sedan släpper det, går det genast tillbaks till sitt ursprungliga läge.

Numera tillverkas större delen av polyisopren syntetiskt, men naturgummit har särskilt goda egenskaper som gör att det fortfarande är en viktig råvara. Nuturgummit är ofta starkare än det syntetiska alternativet och skonsammare mot metaller. Större delen av polyisoprenen används i bildäck.

Fördjupning

Litteratur

  1. Stig Andersson, Gymnasiekemi 1, 1997, Liber Utbildning, Stockholm.
  2. PW Atkins, Fyskalisk kemi, 1987, Liber, Stockholm.
  3. Helen Pilström, Modell och verklighet A, 2000, Natur och kultur, Stockholm.
  4. Jan Pålsgård, Ergo fysik : naturvetenskap och teknik. Kurs A, 2000, Liber, Stockholm.
  5. Fireproof Balloon Experiment, Bassam Shakhashiri
    http://scifun.chem.wisc.edu/HOMEEXPTS/FIREBALLOON.html (2004-04-20)
  6. Värmekapacitet, Susning
    http://www.susning.nu/Startsida (2004-06-03)
  7. Experiment 22: Vi kokar vatten i en pappmugg, Experimentbanken
    http://experimentbanken.kc.lu.se/varmt/exp3.html (2004-06-03)
  8. "Boiling Water in a Paper Cup: Heat Capacity of Water", Bassam Shakhashiri, Chemical Demonstrations, Vol. 3 pp 239-241, 1989, University of Wisconsin Press, Madison, WI.
  9. Educating the World About Balloons and Balloon Art, BalloonHQ.com
    http://www.balloonhq.com/index.html (2004-04-20)
  10. The Macrogalleria - A Cyberland of Polymer Fun, Macrogalleria
    http://www.psrc.usm.edu/macrog/index.htm (2004-04-20)
  11. What is Natural Latex?, PechSiam
    http://www.pechsiam.com/allabout_what%20is%20latex.htm (2004-04-20)
  12. Natural and Synthetic Rubber - A Selection Guide, PechSiam
    http://www.pechsiam.com/allaboutrubber_selection.htm (2004-04-20)
  13. Latex - Background, Blax Beach, Inc.
    http://chemelab.ucsd.edu/latex/Project/Background/background.html (2004-04-20)
  14. Articles from "Natural Rubber", Information Center for Natural Rubber
    http://www.rubber-stichting.ind.tno.nl/articles.html (2004-04-20)
  15. Erasers, American Chemical Society (ACS)
    http://pubs.acs.org/cen/whatstuff/stuff/8050erasers.html (2004-04-20)
  16. ChE 112/212: Polymer Processes - Course Notes, American Chemical Society (ACS)
    http://www.chemeng.ucla.edu/che112/Notes/course_notes.htm (2004-04-20)

Fler experiment


aggregationsformer
Avdunstning och temperatur
Badbomber
Blåsa ballong med hjälp av PET-flaska
Brus-raketen
Den frysande bägaren
Den tillknycklade plåtburken
En märklig planta
Ett glas luft
Exempelfil_Försvinnande bläck (Erik Lövbom)
Fryspunktsnedsättning
Förtenning
Gore-Tex, materialet som andas
Gör ditt eget läppcerat
Gör ett avtryck från papper till stearin
Hockey-visir
Hur fungerar en torrboll?
Hur kan man göra kläder av plast?
Hur mycket vatten finns i maten?
Kemi i en brustablett
Kemiskt snöfall
Koka vatten i en spruta
Kondomen i flaskan
Kristallodling
Kristallvatten i kopparsulfat
Lödtenn 60
Molnet i flaskan
Myggmedel - hur funkar det?
Osynlig gas
Platta yoghurtburkar
Popcorn
Salta isen
Saltat islyft
Slime
Smältpunkten för legeringen lödtenn
Snöflingeskådning
Studsboll
Syrehalten i luft
Tillverka en parfym och gör doftande skraplotter
Utfällning av aluminium
Utsaltning av alkohol i vatten
Varför slipper bilen varma yllekläder på vintern?
Vattenvulkan
Ägget i flaskan

fysikalisk kemi
Avdunstning och temperatur
Bestäm CMC för diskmedel
Bestämning av antalet kristallvatten i kopparsulfat
Blandningar av lösningsmedel
Blå himmel och röd solnedgång
Blåsa ballong med hjälp av PET-flaska
Brus-raketen
Den frysande bägaren
Den tillknycklade plåtburken
Den tunga koldioxiden
Diffusionshastigheten hos ammoniak respektive väteklorid - en jämförelse
Diska med äggula
En märklig planta
Enzymaktivitet i ananas
Enzymkinetik för katalas
Ett glas luft
Ett lysande experiment - Kemiluminiscens
Ett målande experiment - att rengöra en målarpensel
Flaskor mun mot mun
Flyter isen i matoljan?
Frigolit i aceton
Fryspunktsnedsättning
Försvinnande bläck
Gasvolym och temperatur
Gelégodis i vatten
Gore-Tex, materialet som andas
Gummi och lösningsmedel
Gummibandets elasticitet
Gör ett avtryck från papper till stearin
Gör kopparslanten skinande ren - med komplexkemi
Hockey-visir
Hur fungerar en torrboll?
Hur mycket vatten finns i maten?
Håller bubblan?
Identifiera plasten
Kemisk jämvikt hos ett osynligt bläck
Kemiskt snöfall
Klorofyllets röda fluorescens
Koka vatten i en spruta
Kondomen i flaskan
Kristallodling
Kristallvatten i kopparsulfat
Ljuset under glaset
Lödtenn 60
Löslighet och pH - En extraktion
Maizena gör motstånd
Majonnäs - en emulsion
Maskrosen som krullar sig
Matoljans viskositet och omättade fettsyror
Mentos-pastiller i kolsyrad läsk
Molnet i flaskan
Målarfärgens vattengenomsläpplighet
Mät CMC med hjälp av droppstorleken
När 1 plus 1 inte är 2
När flyter potatisen?
Olja som lösningsmedel
Osmos i ett ägg
Osmos i potatis
Osynlig gas
pH i kokt mineralvatten
Platta yoghurtburkar
Salta isen
Saltat islyft
Se genom papper
Smältpunkten för legeringen lödtenn
Snöflingeskådning
Stärkelse och vatten - fast eller flytande?
Såpbubblor
Tillverka din egen glidvalla
Tillverka en ytspänningsvåg
Trolleri med vätskor
Undersök en- och flervärda alkoholer
Utfällning av aluminium
Utsaltning av alkohol i vatten
Varför slipper bilen varma yllekläder på vintern?
Vattenrening
Vattenvulkan
Visa ytspänning med kanel
Vispa grädde
Värmeutvidgning
Åka hiss
Ägget i flaskan
Älskling, jag krympte ballongen