Såpbubblor

Tillhör kategori: fysikalisk kemi, kemisk bindning, vardagens kemi

Författare: Malin Edmark,Lisa Degerman

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

Tid för förberedelse: 10 minuter

Tid för genomförande: 30 minuter

Antal tillfällen: 1

Säkerhetsfaktor: Ofarligt

Svårighetsgrad: Busenkelt

Introduktion

Du skall nu försöka att tillverka så stora och hållbara såpbubblor som möjligt. Till hjälp har du några ingredienser som du ska försöka ge de bästa proportionerna.

Riktlinjer

Detta experiment kan genomföras i alla åldrar som elevexperiment; enskilt eller i grupp.

I högre åldrar kan man söka bakgrundsfakta för att förklara t ex varför bubblorna blir bäst när man använder vissa ingredienser. I lägre åldrar kan man nöja sig med att bara genomföra experimentet och sedan diskutera vilket resultat som var bäst.

Säkerhet

De kemikalier som används i detta experiment är inte särskilt farliga. Man bör dock inte smaka varken på glycerolen eller såpan.

Allt som vi använder kan spolas ner i slasken.

Materiel

• Såpa
• Diskmedel
• Glycerol (glycerin)
• Socker (innehåller sackaros)
• Vatten
• Sugrör
• Ståltråd
• Piprensare
• Tratt
• Ev. andra saker man kan vilja prova
• Minst en bägare (stor) per grupp
• Glasstavar eller skedar att röra om med

Förarbete

Det kan vara lämpligt att ställa fram materialet innan. Håller man till på vanliga bänkar krävs också några underlägg (t ex vaxduk) om man vill rädda dem.

Du kan göra några såpblandningar i förväg. Låt dessa stå några dagar innan du gör experimentet. Kan man se någon skillnad?

Utförande

1. Blanda de ingredienser du tror ger de bästa såpbubblorna.
2. Blanda noga.
3. Tillverka några roliga figurer med ståltråden/piprensaren.
4. Prova blåsa bubblor.
5. Gick det bra? Höll de länge? Blev det stora bubblor? Om inte så kan du gör en ny blandning. Experimentera med olika ingredienser och mängder.

Förklaring

En såpbubbla bildas på samma sätt som när diskmedel minskar ytspänningen i vatten. Om det inte finns diskmedel i vattnet dras vatten molekylerna starkt till varandra och försöker alltid bilda en liten droppe, inte en hinna. Molekylerna i diskmedlet minskar dragningskrafterna mellan vattenmolekylerna, men de har tillräckligt mycket kraft kvar för att bilda en hinna. När man blåser en bubbla sträcks hinnan och bildar en sfär. När vattnet rinner nedåt p g a tyngdkraften tunnas hinnan ut och bubblan spricker. Socker och glycerol gör att vattnet får högre viskositet och bubblan håller längre.

Kemisk bakgrund

Vad är en såpbubbla?

En såpbubbla är ett mycket tunt lager av vatten inklämt mellan två lager av såpa.

Såpmolekylerna kallas amfifiler. Det betyder att en del av molekylen gillar vatten (hydrofil) och att en annan del av molekylen avskyr vatten (hydrofob).

Molekylerna ser ut som små grodyngel med ett huvud som gillar vatten och en svans som hatar vatten. När sådana molekyler hamnar i vatten kommer så många som möjligt att leta sig till ytan så att "huvudet" kan vara i vattnet och "svansen" i luften.

Det är dessa molekyler som gör såpbubblan stabil. Om de inte fanns skulle bubblan dela upp sig i små vattendroppar. På bilden här bredvid kan du se hur ytan på en såpbubbla ser ut. I verkligheten är såpmolekylerna ungefär 1000 gånger mindre än vattenhinnans tjocklek. (Hinnan är några mikrometer tjock och såpmolekylerna är några nanometer långa.)

I verkligheten så finns det såpmolekyler inuti hinnan i "vattenlagret" också, en del ensamma molekyler och en del i grupp. De såpmolekyler som samlats i grupp kallas miceller och ser ut som små bollar, där de har huvudet utåt (så att de får ta i vattnet) och svansarna inåt (så att de slipper ta i vattnet). Detta är ett jättebra sätt att lagra såpa i hinnan, om bubblan blåses upp och blir större sprids molekylerna på ytan ut men de extra molekyler som finns i vattnet kan "laga" de sprickor som uppstår och bubblan förblir stabil.

Klicka på bilden av såpbubblan så berättar Dr. Maarten A. Rutgers mera om såpbubblor.

Färger

En såpbubbla kan lysa i regnbågens alla färger. Det beror på att vanligt ljus, som ju består av dessa färger, bryts när det träffar hinnan och delar upp sig så att man ser olika färger. Vilken färg som syns beror på hur tjock hinnan är, om man upplever färgen som svart beror det på att bubblan är så tunn att den håller på att spricka.

Fördjupning

Ytspänning

Vattnets ytspänning är hög

Vatten är exempel på ett ämne med hög ytspänning. Det beror på att attraktionskrafterna mellan vattenmolekylerna är ovanligt stora. Vätebindningen mellan syret i en molekyl och väteatomen i en annan närliggande molekyl är nämligen stark.

Ytspänningen är en följd av att attraktionskrafterna i gränsskiktet är riktade inåt.

"Wasser in Tropfen und an der Phasengrenze" av Booyabazooka" (CC BY)

Ytspänningen visar sig i gränsskiktet

Attraktionskrafterna mellan molekylerna får vätskan att hålla samman. Inne i vätskan verkar attraktionskrafterna åt alla håll eftersom varje molekyl är omgiven på alla sidor av andra molekyler som den attraherar.

I gränsskiktet mellan vattnet och luften är bindningarna mycket svagare, så svaga att de oftast är försumbara. Luftens molekyler kan nämligen inte bilda de starka vätebindningarna. Dessutom är avståndet mellan luftmolekylerna stort, vilket innebär att vattnet inte kan binda till så många luftmolekyler. Bindningarna är dessutom mycket kortvariga. De existerar bara i ett mycket kort ögonblick då luftmolekylen kolliderar med vattenytan.

Det är skillnaden i energi mellan vattenmolekylerna i vätskeytan (högre energi) och molekylerna i vätskans inre (lägre energi) som är själva ytspänningen. Ytspänningen är alltså ett mått på den energi som krävs för att skapa fasgränsen mellan vätskan och gasen.

Ytspänning i en droppe.

Bild: Svante Åberg, Sofie Wallin

Ytspänning i en droppe

De röda pilarna visar krafterna som håller samman vattenmolekylerna i en droppe. Nettokraften (summan av krafterna) visas med blå pil.

I droppens inre verkar krafterna åt alla håll ungefär lika mycket. Krafterna tar därför ut varandra så att nettokraften blir nästan noll.

I vattenytan finns bara krafter som verkar i ytan och mot droppens inre. Nettokraften pekar därför mot droppens inre. Det verkar som om vattnet har en tunn hinna, ytspänning. Ytspänningen gör att droppen får en rund form.

Ytspänning i en plan vätskeyta.

Bild: Svante Åberg, Sofie Wallin

Ytspänning i en plan vätskeyta

Om vattenmängden är större flyter vattnet ut till en plan yta. Det beror på att vattnets tyngdkraft är större än ytspänningens sammanhållande krafter. Ytspänningen finns dock kvar som en tunn hinna på vattenytan. Det är den som gör att skräddare (insekter) kan springa på vattenytan utan att sjunka.

Wilhelmyplatta

Wilhemyplatta

"Wilhelmy plate" av Vincent Émyde (CC BY)

Wilhelmyplattan används för att mäta ytspänningar. Principen bygger på att när plattan kommer i kontakt med vätskeytan, så väts plattan av vatten som stiger en bit uppför plattan. Vattnet stiger på grund av attraktionskrafterna mellan materialet i plattan och molekylerna i vätskan.

Plattan är upphängd i en känslig våg. Beroende på hur högt vattnet väter plattans sidor blir blir tyngden olika. Ju högre ytspänningen är, desto högre stiger vattnet och desto större kraft kan avläsas på vågen. Eftersom man väger tyngdökningen, så kallas konstruktionen för en ytspänningsvåg.

Wilhelmyplattor tillverkas av material som väts effektivt och ger liten kontaktvinkel θ. Materialet i plattan är vanligen platina i kommersiella instrument, men det går också bra med papper med goda vätegenskaper.

Vätskor med hög ytspänning stiger högt på plattan och tynger därför ned plattan mera. Vatten är ett exempel på ett ämne med särskilt hög ytspänning. Vattnets ytspänning kan sänkas effektivt med hjälp av några droppar diskmedel. Diskmedelsmolekylerna lägger sig på vattenytan och bryter attraktionskrafterna som råder mellan vattenmolekylerna. Resultatet blir att vattnet inte väter plattan lika bra och inte stiger lika högt.

Tvätt och rengöring

Smuts innehåller ofta feta ämnen, var sig det är matrester på tallriken eller fläckar på kläderna. Fetter har mycket låg löslighet i vatten. Det är därför svårt att få rent genom att bara tvätta i vatten.

Men om man tillsätter disk- eller tvättmedel, så blir det stor skillnad. Det finns flera namn för denna typ av ämnen:

amfifil = ämne med en hydrofil och en hydrofob del
detergent = ämne som rengör
tensid = ämne som sänker ytspänningen
ytaktivt ämne eller surfaktant = ämne som lägger sig i fasgränsytor

Disk- och tvättmedelsmolekyler är amfifiler

Detergentmolekylerna bäddar in fettpartiklar så att de får en hydrofil yta. Då blir de "vattenlösliga" och kan sköljas bort.

Bild: Svante Åberg

Gemensamt för sådana molekyler är att de dels har en hydrofob (vattenskyende) del, ofta i form av en kolvätekedja, dels en hydrofil (vattenälskande) grupp i andra änden. Den hydrofoba svansen är fettlöslig samtidigt om det hydrofila huvudet är vattenlösligt.

Amfifilen är ytaktiv

Detergenten sätter sig spontant i gränsskiktet mellan fett och vatten. Då hamnar den fettlösliga delen i det opolära fettet samtidigt om den vattenlösliga delen har kontakt med det polära vattnet.

Det leder till att fettpartiklar bäddas in i ett lager av amfifilen där molekylernas polära huvuden pekar ut mot vattenlösningen.

Amfifilen gör fettpartiklarna "vattenlösliga"

En dispersion (emulsion) av fettpartiklar i vatten stabiliseras av emulgeringsmedlet, som är ett ytaktivt ämne.

Bild: Svante Åberg

Inbäddade fettpartiklar med en hydrofil yta kan börja sväva i vattenlösningen. Det handlar inte om äkta löslighet eftersom blandningen inte är på molekylnivå, utan med större partiklar. Varje fettpartikel utgör en egen fas skild från vattenfasen.

En sådan blandning av olösliga partiklar i en vätska kallas dispersion. Ett annat namn är emulsion. Vid tvättprocessen är fettpartiklarna små droppar medan vattenlösningen är en kontinuerlig fas som omger fettpartiklarna.

Mekanisk bearbetning underlättar tvättprocessen

Det krävs att fettpartiklarna är små för att man ska få en dispersion. Mekanisk bearbetning slår sönder fettet i mindre delar. Då kommer amfifilmolekylerna åt att bädda in fettpartiklarna.