Slime

Tillhör kategori: aggregationsformer, kemisk bindning

Författare: Knut Irgum

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

  

Tid för förberedelse: 10 minuter

Tid för genomförande: 20 minuter

Antal tillfällen: 1

Säkerhetsfaktor: Utföres med normal varsamhet

Svårighetsgrad: Kräver viss labvana

Introduktion

"Slime" är en "leksak" som funnits att köpa några år. Det är en slemmig massa som produceras genom att tvärbinda guarkärnemjöl (som i huvudsak är en sampolymer mellan sockerarterna galaktos och mannos) med borax.

Vi kommer här att göra ett material som liknar "slime", men använder oss av PVA (polyvinylalkohol) i stället för guarkärnemjöl. Den synliga effekten av borax på PVA-lösningen är anmärkningsvärd, då de två lättflytande lösningarna bildar ett mycket mer visköst "slime" omedelbart efter att de blandats samman.

Riktlinjer

Experimentet utförs lämpligen som elevförsök. Det kan vara lämpligt att PVA- och boraxlösningarna ställs i ordning i förväg.

Säkerhet

Förrådslösningar av polymer och borax håller sig i månader vid rumstemperatur, men det kan uppstå växt av svamp och bakterier i polymerlösningen vid längre tids lagring. Dessa kommer att visa sig som kolonier på ytan och lösningen bör i så fall hällas ut i avloppet. Det är inga miljöfaror förknippade med detta, eftersom materialet (uppenbarligen) är biologiskt nerbrytbart.

Som med allt arbete med kemikalier är det god praxis att tvätta händerna efter varje hantering, trots att dessa material säljs som en leksak. Tvätt av bänkar och kläder kan ske med vatten. Gelen får aldrig ätas eller lämnas på så sätt att andra kan frestas att göra detta. Hantering av gelen resulterar i mikrobiell kontamination och man får räkna med att det börjar växa i geler som "används". Gel som lämnas att torka långsamt kommer så småningom att bilda en transparent boraxinnehållande PVA-film.

Hanteringen av lösningarna är säkrare om plastflaskor används i stället för glas.

Materiel

Beredning av lösningarna

• Polyvinylalkohol (98-99 % hydrolysgrad; MW > 90.000)
• Borax (natrium tetraborat dekahydrat; Na₂B₄O₇·10H₂O)
• Vatten
• Våg för vägning av kemikalierna
• Förrådsflaskor för lösningarna
• Sked eller glasstav för omrörning
• Eventuellt en värmeplatta och magnetomrörare

"Slime"-tillverkningen

• PVA-lösningen (Polyvinylalkohol)
• Borax-lösningen
• Liten bägare
• Sked eller glasstav för omrörning

Förarbete

Bered lösningar

1. Gör i ordning en 3,8 - 4 vikts-% lösning av polyvinylalkohol (98-99 % hydrolysgrad; MW > 90,000). Enklast är att strö polymeren långsamt ner i vattnet under kraftig omrörning. Om klumpar bildas kan vara nödvändigt att värma under omrörning för att en homogen lösning skall bildas.
2. Gör i ordning en 4 vikts-% lösning av borax.

Utförande

Tillverka "slime" på följande sätt

1. Blanda lika delar av PVA-lösningen och boraxlösningen i en bägare och rör om med en sked eller en kraftig omrörarstav.
2. Efter att lösningen gelerat kan "slimen" tas up ur bägaren.

Kommentar: Om "slimen" placeras i ett kärl kommer det att anta kärlets form och om det placeras på ett platt underlag kommer det så småningom att flyta ut till en film. Det kan sträckas genom att dra långsamt, men det spricker isär om man drar för snabbt. Om detta sker kan två eller flera bitar fogas samman till en bit igen. Observera att "slime" som lämnas kommer att torka ut. Det bör därför förvaras i ett slutet kärl, som exempelvis en syltburk.

Ju högre koncentration man använder av PVA desto tjockare (mer viskös) "slime" får man. Om man vill experimentera med att tillverka "slime" med olika viskositet bör man göra i ordning en 10 % lösning av PVA som kan användas som den är eller spädas ner till önskad koncentration. Man kan även försöka göra "slime" med andra egenskaper genom att använda PVA med högre molekylvikt eller genom att använda guarkärnamjöl (billigare) eller någon annan polyol i stället för PVA. Det kan då bli nödvändigt att justera koncentrationerna.

Liknande experiment har använts för att göra immobiliserade vätskemembran men i dessa försök har polyvinylklorid använts i stället för PVA med andra tvärbindare.

Undersök "slimen"

1. Lek med slimen för att uppleva dess konsistens och flytningsegenskaper.
2. Gör några ungefärliga viskositetsmätningar: Placera "slimen" på en bordskant och mät hur lång tid det tar för klumpen att nå ner till golvet. Se hur lång tid det tar för en glaskula att sjunka genom geler med olika PVA-koncentration. Vilket resultat får du? Är viskositeten direkt proportionell mot sammansättningen?
3. Bestäm vatteninnehållet i ditt "slime" genom att väga en bit nytillrett "slime", låta denna torka helt och sedan väga den igen. Hur kan du förklara hur "slimen" kan hålla på denna mängd vatten?

Att fundera på: Det finns en viktig skillnad i sättet polyoler tvärbinds, om man jämför med hur gummi vulkaniseras. Vari består denna skillnad?

Förklaring

Polyvinylalkoholen är en lång molekylkedja med många OH-grupper (hydroxylgrupper). Borax reagerar med 4 st OH-grupper som inte behöver sitta på samma PVA-kedja. PVA-kedjorna kopplas därför samman till en jättemolekyl som hänger ihop. Det ger "slimen" dess sega, viskösa egenskaper.

Kemisk bakgrund

Slime

"Slime" kan enkelt tillverkas genom att PVA (polyvinylalkohol) och borax i rätt proportioner och reaktionen kan användas för att belysa flera olika viktiga kemiska koncept, såsom:

• Vatten som lösningsmedel och vätebindningsagens
• Vätebindningseffekten
• Polyolers egenskaper
• Viskoelasticitet och mekaniska egenskaper hos polymera nätverk
• Boratkemi
• Tvärbindning av polymerer
• Vätebindning

Reaktionen som äger rum i kärlet är att borax fungerar som en tvärbindare mellan polyvinylalkoholens polymerkedjor enligt:

Materialet som bildas uppvisar fysikaliska egenskaper som är beroende av molekylvikten och hydrolysgraden hos PVA (som tillverkas genom hydrolys av polyvinylacetat). För att få ett "slime" som inte krackelerar eller bryts sönder lätt är det viktigt att använda en PVA som har hög hydrolysgrad och så hög molekylvikt som möjligt.

Systemets kemi

Kemin när ett tvärbundet polymert nätverk bildas från linjära polymerkedjor har en enkel förklaring. Borax, som har formeln

Är ett salt av en stark bas och en svag syra och hydrolyserar i vattenlösning under bildning av en borsyra-boratbuffert med pH kring 9. Buffertjämvikten kan skrivas som:

Notera att borsyra är en så svag syra att den inte avger en proton, utan i stället tar upp en hydroxidjon från vattnet. Vid låga koncentrationer, <0,025 M, föreligger borsyra och boratjoner i monomer form med strukturerna:

Vid högre koncentrationer kan borat bilda cykliska tetramerer och andra polymera joner, men vid de koncentrationer som används här föreligger inte dessa species. Detta har använts av bland annat analytiska kemister som vill titrera borsyra och kan använda det faktum att syrans styrka kan ökas genom tillsats av polyhydroxylföreningar såsom glycerol och mannitol för att på så sätt göra syran titrerbar med starka baser. Diolkomplexet måste ha en cis-konfiguration och en möjlig formulering av den ökade syrastyrkan som uppstår vid komplexering är:

När borsyra behandlas på detta sätt titreras den som en enprotonig syra. Växelverkan mellan de långkedjiga polyolerna är ännu mer intressant än komplexeringen av borsyra, då den leder till bildning av tvärbindningar mellan olika polymerkedjor som på så vis kommer att bilda tredimensionella nätverk av sammanbundna polymerkedjor.

När koncentrationen av tvärbundna kedjor är hög kommer lösningsmedlet (vatten) att i stor utsträckning vara bundet i gelen, vilket resulterar i en halvfast gel. Exempel på nätverk och geler är gummi och gummicement, gelatin, fruktgeleer, agarmedia för odling av mikroorganismer, tofu och yoghurt.

För att fungera som en effektiv tvärbindare måste reaktanten ha minst två funktionella grupper. Vid reaktionen med strukturer innehållande 1,2-dioler uppfyller borsyra detta kriterium, men eftersom reaktionen sker vid två intilliggande alkoholgrupper på samma polymerkedja sker ingen tvärbindning. Därför resulterar inte borsyra ensam i polyolgeler, utan den måste neutraliseras, antingen partiellt eller helst helt, för att kunna fungera som tvärbindare.

Boratjonen är tetrafunktionell i interaktionen med OH-grupper från alkoholer och den är därför speciellt effektiv som tvärbindare i tredimensionella gelnätverk av sockerpolymerer eller polyvinylalkohol. Strukturen

kan vara missledande då den ger intryck av att kovalenta bindningar bildats mellan bor-syre-kol. Med tanke på hur snabbt dessa bindningar måste bildas, brytas och återbildas kan detta knappast vara fallet. Egenskaperna för en PVA-borax-gel kan sägas vara i en dynamisk jämvikt. Bindningarna som bildas av tvärbindningen är så svaga att de inte har karaktären av kovalenta bindningar. Inte heller kan det vara frågan om esterbindningar i konventionell mening. Det är i stället sannolikt att vätebindningsinteraktionen är ansvariga för de observerade egenskaperna. Detta stödjs av studier av dessa geler med infraröd (IR-) spektroskopi. En schematisk bild av hur vätebindningar kan bygga ett tvärbundet men labilt nätverk kan se ut så här:

Lösligheten för långkedjiga alkoholer förklaras med det höga antalet hydroxylgrupper längs polymerkedjan. Dessa grupper växelverkar med vattenmolekyler, som solvatiserar polymerkedjan och håller den i lösning.

Fördjupning