Tillverka en ytspänningsvåg

Tillhör kategori: fysikalisk kemi, kemisk bindning, kemiska metoder

Författare: Svante Åberg

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

Tid för förberedelse: 10 minuter

Tid för genomförande: 60 minuter

Antal tillfällen: 1

Säkerhetsfaktor: Ofarligt

Svårighetsgrad: Avancerat

Introduktion

Tillverka en våg som kan mäta ytspänningen hos en vätska. Du kan använda vågen för att studera effekten av diskmedel mm. Man kan t ex bestämma "den kritiska micellkoncentrationen", CMC. Vågen är mycket känslig med tanke på den enkla konstruktionen.

Riktlinjer

Aktiviteten genomförs lämpligen som elevförsök där eleverna själva får tillverka vågen och blanda till lösningarna.

På lägre stadier kan man nöja sig med att jämföra ytspänningen hos olika vätskor och lösningar. Aktiviteten blir en träning i laborativ metodik där man måste förstå principen för vägningarna och dra slutsatser av resultaten.

På högre stadier kan man mäta ytspänningen som funktion av mängden löst detergent, t ex för att bestämma den kritiska micellkoncentrationen.

Säkerhet

I experimentet ingår inga farliga kemikalier. Överblivna lösningar kan spolas ned i vasken.

Materiel

Förarbete

Skriv ut/kopiera tillräckligt antal A4-ark med "ritningar" på vågen. Använd 80 g cm-2 papper för att skalan på vågen ska visa korrekta resultat. Se till att "ritningen" hamnar symmetriskt på papperet så att vågen inte kommer att väga ojämnt. Speciellt viktigt är det att det två flikarna som doppas i lösningarna har samma bredd. Det kan behövas flera ark per person eftersom vågar som blivit förorenade behöver bytas ut.

Klipp gärna de 2 cm breda, genomskinliga remsorna ur OH-bladen i förväg. Klipp remsorna längs kortsidan på OH-bladet. Remsorna blir tillräckligt långa i alla fall.

Utförande

Tillverkning av vågen:

  1. Tag A4-papperet med mallen för vågen. Klipp bort den översta sektionen.
  2. Kontrollera att de två flikarna som är markerade längst ned verkligen är 20 mm breda. Ifall måttet inte stämmer ritar du en ny linje. Klipp sedan bort den mittersta, rektangulära delen så att flikarna blir kvar.
  3. Vik övre delen av papperet som ett dragspel så att du får en stadig kant.
  4. Tejpa samman ändarna med en liten tejpbit mitt på varje ände av den vikta kanten så att "dragspelet" hålls samman.
  5. Klipp en c:a 2 cm bred remsa av ett OH-blad. Rita ett kulspetsstreck på klistersidan av en genomskinlig tejpbit. Fäst tejpbiten vid ena änden av OH-remsan så att linjen hamnar i mitten. Linjen ska fungera som en visare som pekar på skalan. Vik remsan på mitten och stick genom en knoppnål nära den vikta änden.
  6. Stick en knoppnål exakt genom mitten av den vikta kanten på vågen. Om vågen tillverkats med bra precision så ska den nu väga jämnt.
  7. Montera nu även den dubbelvikta OH-remsan genom att sticka hål i den i höjd med knoppnålen som går genom papperet och sätt samman konstruktionen så att OH-remsan ligger utanpå det vikta papperet.

Att ta ett mätvärde:

Man använder rent vatten i ena bägaren som referens (jämförelse) och har provet i den andra. Vågen visar skillnaden i ytspänning mellan provlösningen och referenslösningen. Ytspänningen i rent vatten är 72 mN/cm vid rumstemperatur [1]. När man tillsätter diskmedel i vatten, så minskar ytspänningen. Om vågen visar 5 mN/cm, så betyder det att ytspänningen är 72-5 = 67 mN/cm i provlösningen.

  1. Fyll de båda bägarna med rent vatten.
  2. Tillsätt en droppe diskmedel i den ena bägaren och rör om.
  3. Ställ bägarna på lagom avstånd från varandra och sänk försiktigt ned flikarna hos vågen i vattnet, en flik i vardera bägaren.
  4. Håll den bägare där vågen är lättast högre så att flikarna hamnar lika djupt i båda bägarna.
  5. Avläs på skalan hur många mN/cm som ytspänningen skiljer i de två vätskorna.
  6. Det kan vara nödvändigt att tillverka en ny våg om den gamla blivit dålig pga förorening. Eventuellt räcker det att försiktigt doppa den flik som varit i diskmedelsvattnet i rent vatten några gånger. Då behöver man inte heller förorena vattnet i det nya försöket.

Ett enkelt experiment - Jämför diskmedel

Innehåller olika diskmedel lika mycket aktiv substans? Jämför genom att mäta ytspänningen i lika koncentrerade, utspädda diskmedelslösningar.

  1. Bered en provlösning genom att ta 0,5 ml diskmedel och späda till 1000 ml med rent vatten. Rör sedan om med en ren sked utan att det bildas skum.
  2. Använd rent vatten som referens och mät ytspänningen i provet.
  3. Gör ny lösning och upprepa mätningen för varje sorts diskmedel. Kom ihåg att skölja fliken som varit i diskmedelslösningen med rent vatten innan du stoppar den i nästa diskmedelslösning.
  4. Jämför resultatet. Det diskmedel som är effektivast är det som innehåller mest aktiv substans, dvs har den lägsta ytspänningen.

Förklaring

På grund av attraktionskrafterna mellan vattenmolekylerna och papperet stiger vattnet en liten bit uppför papperets yta. Massan av vattnet som stigit tynger ner vågen så att den ger utslag. Om ytspänningen minskar, så minskar den sammanhållande kraften mellan vattenmolekylerna i vattenytan. Då minskar också förmågan att stiga vid pappersytan och tyngden blir mindre.

En våg av denna typ kallas Wilhelmy-platta (Eng. Wilhelmy plate) [2,3,4] efter den vetenskapsman som först beskrev principen.

Kemisk bakgrund

Vy för utskrift av kemisk bakgrund och fördjupning

Ytspänning

Ytspänning är ett fenomen som beror på att vätskemolekylerna attraherar varandra. I kontaktytan mot luften är attraktionen mellan vätskemolekylerna och luftmolekylerna däremot liten. Vätskemolekylerna tenderar därför att hålla samman hellre än att attraheras av luften. Det är därför vattendroppar är runda. Vatten är ett ämne med ovanligt stark attraktion mellan molekylerna. Därför har vatten en hög ytspänning, 72 mN/m vid rumstemperatur, om vattnet är alldeles rent [1].

Amfifiler, monolager på vätskeytan

SDS En amfifil är en molekyl med en hydrofil (vattenälskande) och en hydrofob (vattenskyende) del. SDS (natrium dodecyl sulfat), till höger, är ett exempel på en amfifil. Sulfonatgruppen med natriumjonen (till vänster) är vattenälskande medan den långa kolvätekedjan är vattenskyende.

Typiskt för amfifiler är att de gärna lägger sig på vattenytan med sina hydrofoba ändar pekande upp i luften. När man blandat en amfifil i vattnet bryts eller försvagas de sammanhållande krafterna mellan vattenmolekylerna eftersom amfifilen lägger sig emellan dem. Det medför att ytspänningen blir lägre.

Om amfifilen har tillräckligt stor hydrofob del, så blir den olöslig i vattnet. Den lägger sig då på vattenytan. När mängden amfifil är liten så simmar enstaka molekyler omkring för sig själva på ytan ungefär som fria molekyler i en gas. Om mängden amfifil är större slingrar sig molekylerna kring varandra ungefär som molekyler i en vätska. Om mängden amfifil är så stor att man får ett tätpackat lager på ytan kan molekylerna inte längre röra sig, utan bildar en tvådimensionell kristall. Alla molkylerna ligger parallellt med svansarna upp i vädret. Detta tillstånd liknar ett fast ämne. Lagret på vätskeytan kan alltså förekomma som en tvådimensionell motsvarighet till gas-, vätske- och fasta faserna hos vanliga kroppar.

En metod att tillsätta amfifil till vätskan är att lösa små mängder av den i kemiskt ren kloroform och droppa på vattenytan. Droppen sprider sig snabbt och lösningsmedlet avdunstar. Kvar blir amfifilen. Ytspänningen blir som lägst när man har fått en fast fas av packade amfifil-molekyler på ytan, ett så kallat monolager. Ytterligare tillsats av amfifil medför bara att lagret kollapsar. Om man vet hur hur stor mängd amfifil man tillsatt när lagret börjar kollapsa så kan man beräkna tvärsnittsarean för amfifilen. Man kan alltså bestämma en enskild molekyls storlek.


Miceller och bilager

Amfifiler som är lösliga i vatten bildar ofta miceller. Miceller är klotformiga ansamlingar av molekyler som vänder den hydrofila delen utåt mot det omgivande vattnet och har de hydrofoba svansarna samlade i micellens centrala inre. Miceller kan också bilda andra former, som t ex rör eller plattor, beroende på storleksförhållandet mellan svans och huvud, hur mycket amfifil som är tillgänglig, temperaturen, lösningsmedlet mm. Miceller bildas inte förrän halten amfifiler är tillräcklig. Det finns en jämvikt mellan amfifiler som ligger på vätskeytan och de som formar miceller. Genom att studera hur ytspänningen beror av mängden tillsatt amfifil så kan man avgöra när miceller börjar bildas. Då får man nämligen ett trendbrott i ytspänningen som funktion av koncentrationen. Den koncentration då miceller börjar bildas kallas den "kritiska micellkoncentrationen" och betecknas CMC (Eng. Critical Micelle Concentration).

Bilager av fosfolipider Amfifiler är viktiga i kroppens celler eftersom de bildar de nödvändiga membran som håller ordning på cellernas innehåll av kemikalier. De biologiska membranen är uppbyggda av dubbla lager av fosfolipider, s k bilager. Fosfolipidernas hydrofoba svansar (grå) ligger mot varandra i membranens mitt och de hydrofila huvudena, fosfatgrupperna (blå), utgör membranens ytskikt. Bilden till höger visar strukturen hos ett sådant membran. De små molekylerna ovanför och under membranet är vatten.

Läs mera om cellmembraner i kursmaterial som utformats av Mark Dalton.

Exempel ur natur och miljö

En intressant grupp av ytaktiva ämnen är saponinerna (observera namnet) som finns i växter, t.ex. i såpnejlikan som är vitblommig och av gammalt har funnits som prydnadsväxt i trädgårdarna. Man kan göra ett avkok på blommans blad, stam och rot och får då en mild "tvållösning", som tidigare användes till att rengöra bl.a. kyrkotextilier. (Fakta enligt [6])

De små insekter som kallas "skräddare" kan springa på vattenytan tack vare vattnets ytspänning. Om man tittar noga så ser man hur vattnet bildar en grop där skräddaren sätter ned sitt ben. Det är det undanträngda vattnets lyftkraft som håller upp skräddaren. Om man tillsätter diskmedel i vattnet får skräddaren problem eftersom vattnet då börjar väta hans ben, som i normala fall är vattenavvisande.

Det har länge varit känt bland sjöfarare att man kan "gjuta olja på vågorna". Det som händer är att oljan snart sprider sig som en tunn hinna över en stor vattenyta. Det beror inte bara på att olja är lättare än vatten, utan också på att de attraktionskrafter som finns mellan oljemolekylernas mer hydrofila delar och vattnet gör det energimässigt gynnsamt att ligga i gränsskiktet mellan vatten och luft. Den tunna oljehinnan har en viss seghet som hindrar vinden att riva upp skum och vågor. Därför minskar vågorna och havet lungnar sig en aning. Sjömännen får lättare att hantera den upprörda sjön.

I torra, heta områden behöver man dämma upp det vatten som kanske bara faller några enstaka gånger under ett helt år. Ett problem är att avdunstningen kan vara stor. En idé man har provat är att sprida en amfifil på vattnet i dammen. Det oljelika molekyllager som bildas på ytan släpper inte igenom vatten. Avdunstningen minskar då kraftigt. Även om vinden skapar vågor som river sönder molekylhinnan så lagas den automatiskt så snart vattnet lugnat sig igen. Det kan möjligen finnas problem med att göra så här. Hur blir det med syresättningen av vattnet? Tar fåglar, grodor och insekter som rör sig i vattenytan skada när de drar på sig oljehinnan?

Diskmedel

Här får du ett recept på ett milt diskmedel [6]: Lös förtjockaren i varmt (50-60 °C) vatten. Lösandet kräver kraftig omrörning i 20 min. Därefter tillsättes de övriga ingredienserna.

Tvättmedel

Ett typiskt pulvertvättmedel har följande innehåll [5]:

Komponent Med fosfat Utan fosfat
Anjoniska tensider,
varav alkylbenzensulkfonater
5-10 % 5-10 %
Anjoniska tensider,
varav sulfater av alkoholer
1-3 % 0 %
Icke-joniska tensider
(t ex alkyl-poly(etylenglykol)-etrar)
3-11 % 3-6 %
Medel mot bubbelbildning
(t ex tvål)
0,1-3,5 % 0,1-3,5 %
Skumbildare
(Metanolamider av fettsyror)
0-2 % 0 %
Komplexbildare
(natriumtrifosfat)
20-40 % 0 %
Jonbytare
(t ex zeolit 4A)
2-20 % 20-30 %
Alkali
(t.ex. natriumkarbonat)
0-15 % 5-10 %
"Cobuilders"
(t.ex. natriumcitrat)
0-4 % 0-4 %
Blekmedel
(t.ex. natriumperborat)
10-25 % 20-25 %
Blekaktivatorer
(tetraacetyletylendiamin)
0-5 % 0-2 %
Blekstabilisatorer
(t.ex. etylendiamintetraacetat, TAED)
0,2-0,5 % 0,2-0,5 %
Enzymer
(proteaser, amylaser)
0,3-0,8 % 0,3-0,8 %
Optisk vitmedel
(t ex stilbenedisulfonsyra)
0,1-0,3 % 0,1-0,3 %
Korrosionshämmande medel
(natriumsilikat)
2-6 % 2-6 %
Dessutom ingår ett antal andra komponenter i små mängder.

Textilier som smutsats med oljiga ämnen har normalt en ganska jämn beläggning av smutsen. De feta molekylerna binder till fibrerna med en viss styrka. Vid tvättningen binder detergenten till tyget, först på vissa ställen. Detergenten binder emellertid starkare till fibrerna än fettmolekylerna. Detergenterna tränger därför tillbaka oljan alltmer till dess oljan är samlad i till enskilda droppar. Dessa droppar lossnar sedan från tyget. Denna mekanism kallas på fackspråk för "roll-off".

Strukturen hos SDS
NatriumDodecylSulfat, NatriumLaurylSulfat

Principen för ytspänningsvågen

Balansvågen för ytspänningsmätningar bygger på Wilhelmyplattan där vätningen av plattan (räknat i tyngdkraft) är linjärt beroende av ytspänningen. Den nedåtriktade kraften på en platta som sänks ned i en vätska kommer dels från plattans tyngd, dels från tyngden av den vätska som kryper uppför ytan på plattan. Från detta ska dras lyftkraften från den undanträngda vätskan.

I vår konstruktion stoppar vi ned flikarna (= Wilhelmyplattor) lika djupt på båda sidor. Därför kommer tyngden av plattan och lyftkraften hos det undanträngda vattnet att balanseras av den likadana plattan på motsatta sidan. Endast skillnaden i ytspänning påverkar vågens utslag.

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.

Energinivån är högre hos molekylerna i vätskeytan

Bindningsenergier sänker molekylernas energinivå. Det kan man förstå när man tänker på att det krävs arbete för att slita loss en molekyl från de andra molekylerna i vätskan. Eftersom molekylerna i vätskeytan binder färre grannmolekyler, så sänks deras energi inte lika mycket som molekylerna längre in. Molekylerna i ytan ligger på en högre energinivå. Det är denna energiskillnad som är ytspänningen. Ytspänning mäts i enheten energi per ytenhet (J/m2).

Men energi kan också mätas som det arbete som krävs att skapa vätskeytan. Till exempel krävs det arbete att blåsa upp en såpbubbla, även om det är lite. Om man tar bort munnen från blåsröret innan bubblan har lossnat, så drar såpbubblan ihop sig igen. Det finns alltså en spänning i vätskeytan. Ytspänningen kan därför också anges som kraft per sträcka (N/m), ungefär som den kraft som krävs att sträcka ett gummiband.

Kontaktvinkel

Ytspänning uppstår i fasgränser

Ytspänning är en kraft som finns mellan två faser, t.ex. luft och vatten. Dessa krafter finns även inuti vätskan men där är de jämnt fördelade och drar lika mycket åt alla håll. Ytspänningen gör att det bildas droppar eftersom det inte finns några krafter som drar utåt utan bara inåt mitten. Detta fenomen märks inte bara på vattendroppar utan även då man fyller ett glas till brädden och då kan få vattnet att faktiskt gå lite över glaskanten.


Vätningen av underlaget beror på ytspänningen.
"Droplets of fluid on a surface" av MesserWoland" (CC BY-SA 3.0)

Ytspänningen hos underlaget avgör om dropparna flyter ut

Vilken tjocklek som vattendroppen får på underlaget beror på underlagets ytspänning. Opolära material med låg ytspänning ger tjocka droppar medan polära material med hög ytspänning ger tunna droppar.


Låg ytspänning hos den underlaget gör att dropparna inte flyter ut.
"Water beading on a surface" av Wars" (CC BY-SA 3.0)

Om en yta har låg ytspänning, så som en nyligen vaxad bil, så kommer vattendroppar som landar på bilen att inte väta ytan. Vattendropparnas inre sammanhållande krafter är större än attraktionen mellan vattnet och underlaget av vax. Dropparna hålls därför samman i droppar, vilket ger minsta möjliga yta i förhållande till volymen.

Om en yta har hög ytspänning, så som papper, så kommer attraktionen mellan papperet och vattnet att vara jämförbar med vattnets inre sammanhållande krafter. Det gör att vattnet flyter ut och väter underlaget.



Kontaktvinkeln är sådan att de krafter som orsakas av ytspänningarna balanseras.
"Contact angle and interphase-energy" av Joris Gillis~commonswiki" (CC BY)

Kontaktvinkeln är ett mått på ytspänningen

Kontaktvinkeln bestäms av de energier som är inblandade när materialet (S = solid), vätskan (L = liquid) och luften (G = gas) kommer i kontakt med varandra. De tre krafter som dessa energier (material-vätska, vätska-luft, luft-material) ger upphov till kan representeras av tre vektorer som precis balanserar varandra i riktningen utmed materialets yta: 0 = ΧSL - ΧSG - ΧLG cos(Θ).

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.

Krafterna som verkar på ytspänningsvågen

Ytspänningsmätningar enligt principen för Wilhelmyplattan bygger på att vätningen av plattan (räknat i tyngdkraft) är linjärt beroende av ytspänningen.

Den nedåtriktade kraften på en platta som sänks ned i en vätska kommer dels från plattans tyngd, ρplattagLBT, dels från tyngden av den vätska som kryper uppför ytan på plattan, 2γ(T+B)cos(θ). Från detta ska dras lyftkraften från den undanträngda vätskan, ρvätskagHBT.


Wilhelmyplatta för mätning av ytspänning
Svante Åberg
Variablernas betydelse är följande:
γ = ytspänning
ρ = densitet
g = tyngdaccelerationen = 9.81 N/kg
L = plattans längd
B = plattans bredd
T = plattans tjocklek
H = djupet som plattan sänkts ned
θ = kontaktvinkel mellan vätskan och plattan
Δ betecknar en differens

Krafterna som verkar på Wilhelmyplattan balanserar varandra.
Svante Åberg

Kontaktvinkeln

Kontaktvinkeln θ mellan vätskan och plattan närmar sig 0 när vätskan väter plattan idealt. Wilhelmyplattor tillverkas av material som ger mycket liten kontaktvinkel. När ytspänningen sjunker så ökar kontaktvinkeln.

Egentligen bestäms kontaktvinklarna av de energier som är inblandade när plattan, vätskan och luften kommer i kontakt med varandra. De tre krafter som dessa energier (platta-vätska, vätska-luft, luft-platta) ger upphov till kan representeras av tre vektorer som precis balanserar varandra.

Krafterna som verkar på Wilhelmyplattan balanserar varandra. När kontaktvinkeln ökar på grund av minskande ytspänning, så minskar den komponent av kraftvektorn som drar nedåt. Tyngden som verkar på vågen blir då mindre.

Ordnade strukturer hos amfifiler

Amfifiler

hydrofil = vattenälskande
hydrofob =vattenskyende

En amfifil är en molekyl med en hydrofil och en hydrofob del. SDS (natrium dodecyl sulfat) är ett exempel på en amfifil. Sulfonatgruppen med natriumjonen (till höger) är vattenälskande medan den långa kolvätekedjan är vattenskyende. SDS är mycket vanlig i diskmedel.


Natrium ddodecyl sulfat (natrium lauryl sulfat).

Andra namn för amfifiler är tensider och detergenter. Tensid syftar på förmågan att sänka ytspänningen, detergent syftar på förmågan att lösa smuts.

Amfilen orienterar sig med hjälp av sin vattenälskande och vattenskyende del


Hinnan på en såpbubbla stabiliseras av monolager av amfifiler. Överskottet av amfifiler bildar miceller i lösningens inre.
Bild: Svante Åberg

Det polära "huvudet" på amfifilen binder till vatten. Därför lägger sig amfifilen så att huvudet är i kontakt med vatten, men den opolära svansen undviker kontakten med vatten. Det finns olika sätt att åstadkomma detta.

Ett sätt är att lägga sig på vattenytan med svansarna pekande upp mot luften. Då får man ett monolager av amfifilen på vattenytan. Även en liten mängd amfifil räcker för att täcka en stor vattenyta. Amfifilen som lägger sig på vattenytan bryter bindningarna mellan vattenmolekylerna som ligger i vattenytan. Det har effekten av ytspänningen sänks.

När hela vattenytan är täckt, så måste överskottet av amfifilen lösa sig i det inre av lösningen. För att undvika kontakten med vatten bildar amfifilen miceller. En micell är en anhopning av amfifila molekyler som gömmer sina vattenskyende svansar i micellens inre och vänder de vattenälskande huvudena utåt mot den omgivande vattenlösningen.

När du blåser såpbubblor, till exempel med en tvållösning, så bildas en tunn hinna av tvållösningen. Den ytspänningssänkande effekten gör hinnan stabilare. På ytan av hinnan bildas monolager, både på utsidan och insidan. Du kan vara säker på att tvållösningen är övermättad så det även finns miceller i lösningen.

Även om hinnan är väldigt tunn, så är den tillräckligt tjock för att det ska finnas lösning mellan dess ytor. Tvållösningen tenderar att sjunka mot såpbubblans nedre del på grund av tyngdkraften. Då minskar hinnans tjocklek. När den blir så tunn att de två monolagren kommer i kontakt med varandra, så brukar bubblan spricka.

Energiminimering hos amfilier i lösning

Alla system strävar mot sin lägsta energi där de är stabilast. Det åstadkoms genom att bindningar skapas mellan molekylerna. Ju starkare bindning, desto högre bindningsenergi. Att en stark bindning ger lägre energi hos systemet kan man förstå när man tänker på det krävs energi för att bryta en bindning, dvs. man måste tillföra den energi som bryter bindningen.

Det polära "huvudet" på amfifilen bidrar till att göra den vattenlöslig. Genom att binda till vatten minskar amfifilen sin energi i lösningen. Alla system strävar mot sin lägsta energi där de är stabilast. I en vattenlösning orienterar sig därför amfifilen med det polära huvudet mot vattnet.

Däremot är den opolära svansen vattenskyende. Det är inte så att svansen stöter bort vatten, men i konkurrensen om att skapa bindningar så vattenmolekylerna binder vattenmolekylerna varandra i stället för att binda till de opolära svansarna. Bindningsenergin mellan två vattenmolekyler är nämligen mycket större än mellan en vattenmolekyl och en opolär svans på amfifilen. Att vatten binder andra vattenmolekyler är en följd av systemets tendens att minimera sin energi.

Bildning av ett monolager på vattenytan


Hinnan på en såpbubbla stabiliseras av ett monolager av amfifiler. Överskottet av amfifiler bilda miceller i såplösningens inre.
Bild: Svante Åberg

En amfifil som sätts på en vattenyta sprider sig snabbt över hela ytan. Det är en mycket snabb process som tar bråkdelen av en sekund. Att processen är spontan och snabb visar att drivkraften bakom spridningen är stark.

Ett mått på denna drivkraft är ändringen av Gibbs fria energi ΔG. Bakom ΔG ligger dels strävan efter lägsta möjliga energi hos systemet, dels att entropin ska maximeras.

Systemets energi minskar på grund av bindningarna mellan det polära ”huvudet” på amfifilen och vattenmolekylerna. Samtidigt pekar den opolära svansen pekar upp i luften, bort från vattnet. Bindningsenergin mellan det polära huvudet och vattenmolekylerna är ganska stark. Att det handlar om en sänkning av systemets energi kan man förstå när man tänker på att man måste tillföra arbete för att slita loss amfifilen från bindningarna med vattenmolekylerna.

Spridningen av amfifilen över vattenytan ökar systemets entropi. Entropi är ett mått på ”oordning”. Ordning är när amfifilen och vattnet är på var sin plats, oordning när de ”blandas”. Även spridningen av amfifilerna över en större yta innebär en typ av blandning eftersom de amfifila molekylerna inte lägre är sammanpackande på en plats.

Den spontana reaktionen innebär att Gibbs fria energi minskar, dvs. ΔG < 0. Även sänkningen av ytspänningen som sker när amfifilen tillsätts är ett mått på att systemets energi minskar.

Languir-Blodgett teknik


Ett kommersiellt tråg för Lagmuir-Blodgett teknik att ta mätvärden på ytspänningen som en funktion av arean.
"Langmuir-Blodgett Trough" av Jyrkorpela" (CC BY-SA 4.0)

En amfifil som sätts på vattenytan sprids över hela den tillgängliga arean. Om man bara har tillsatt en liten mängd, så blir det glest mellan molekylerna. Det är faktiskt möjligt att maka ihop molekylerna så att de trängs samman på en mindre yta. Då ökar ytkoncentrationen av amfifilen.

Langmuir-Blodgett tekniken tillämpar denna princip att kunna variera ytkoncentrationen av amfifiler. Man använder ett tråg som är fyllt med vatten till brädden, och ytterligare lite till. En ribba som ligger på tråget kan förflyttas så att ytan minskar. Bilden till höger visar på ett kommersiellt Langmuir-Blodgett tråg.

Samtidigt som lagret av amfifiler pressas samman, så ökar utspänningen. Det beror på att entropin ökar när molekylerna packas samman. När lagret packats så att täckningen blir precis 100 %, så ökar ytspänningen plötsligt snabbare. I Langmuir-Blodgett tekniken så mäter man ytspänningen som en funktion av arean hos monolagret. Knixen på grafen man får visar när man fått exakt ett monolager med täckningen 100 %.

Om man vet hur många mol amfifil man har satt på vattenytan och hur stor arean är när man fått ett perfekt monolager, så är det enkelt att räkna ut hur stor en molekyl av amfifilen faktiskt är. Det man får fram är tvärsnittsarean hos amfifilen där den står packad på ände med huvudet nedåt och svansen uppåt.

Många anfifiler är i fast form vid rumstemperatur. Ett typexempel är stearinsyra. För att kunna sprida den på vattenytan löser man först upp en känd mäng i eter. Sedan sprider man lösningen på vattentytan. Lösningen sprids blixtsnabbt över hela ytan. Sedan avdunstar etern. Kvar blir amfifilen. Sedan kan man göra sina mätningar på vanligt sätt.

Olika strukturer med amfifiler


Tvålmolekyler bildar monolager, miceller och packar in fettpartiklarna så att de blir vattenlösliga.
Bild: Svante Åberg

När du tvättar dig med två finns ett monolager av tvål på vattenytan, miceller i själva tvållösningen, men dessutom fettpartiklar inbäddade i amfilen så att de får ett vattenlösligt ytlager. Tvålmolekylernas opolära svansar är fettlösliga och löser sig i fettet. Det polära huvudet pekar i stället ut mot vattenlösningen. Eftersom ytan på på den inbäddade fettpartikeln är vattenlöslig, så blir hela fettpartikeln vattenlöslig. Det gör fettet lätt att skölja bort.

Amfiflier kan också bilda bilager, dvs. dubbla lager där de vänder sina polära huvuden utåt mot vattenlösningen och sina opolära svansar inåt mot mitten av bilagret. Denna konstruktion är helt avgörande för livet på jorden. Det är den konstruktionen som skapar cellväggarna i kroppens celler. Fosfolipider är de vanligaste byggstenarna i cellmembranen.


Biologiska cellmembran är uppbyggda av amfifiler i dubbla lager, så kallade bilager.
Bild: Svante Åberg

Det normala är att det först bildas monolager på vattenytan. När den är helt täckt av amfifiler och det inte finns mera plats, så börjar det bildas miceller i vattenlösningen. Den koncentration av amfifiler som precis är på gränsen att miceller ska bildas kallas kritisk micellkoncentration (Critical Micelle Concentration, CMC). Om koncentrationen av amfilfil ökas på ytterligare kommer man till slut till en punkt då det inte ryms fler miceller i lösningen. Då börjar det bildas ännu mer komplexa strukturer med amfifiler i form av tredimensionella nätverk. Dessa kan få många varierande former.

Vatten

Ett ovanligt, men korrekt namn för vatten, är diväteoxid. Den kemiska formeln är alltså H2O. Vatten är det enda kemiska ämne som naturligt förekommer både i fast, flytande och gasform. Det är också ett av de absolut vanligaste ämnena på jorden.

Vattnets ovanliga egenskaper

Vatten har en ovanligt stor förmåga att lagra värme. Oceanerna spelar en viktig roll i jordens klimat genom att stabilisera temperaturerna. Vattenströmmarna i haven transporterar varmt vatten från ekvatorn mot polerna och kallt vatten från polerna tillbaka mot varmare områden. Dessa strömmar djupt ned i havet är som gigantiska osynliga floder som slingrar sig runt hela jordklotet. Strömmarna bidrar också till att transportera näring till områden där djur- och växtliv frodas i överflöd.

Vattnet är tyngst vid +4 °C.
Bild: © Svante Åberg

Vatten har den ovanliga egenskapen att när det fryser (stelnar), så får den fasta formen av ämnet lägre densitet än den flytande. Den lägre densiteten gör att is flyter ovanpå vatten. Tack vare det bottenfryser inte sjöar. I stället lägger sig isen som ett värmeisolerande täcke ovanpå sjöarna och fiskar, grodor och växter kan leva vidare i väntan på nästa vår. Snön som lägger sig ovanpå isen är extra värmeisolerande på grund av att den innehåller mycket luft. Snön är också fruset vatten, men snökristallerna gör att den inte packas så tätt.

Vatten är också ett ovanligt bra lösningsmedel. Det är ett polärt lösningsmedel, vilket innebär att det har förmågan att lösa ämnen som är mer eller mindre laddade. Det medför att vatten kan lösa salter ur jorden och berggrunden, men också att vatten kan lösa de många olika biologiska molekyler som finns i cellerna i djur och växter. Lösta ämnen kan diffundera, dvs. spridas ut i vätskan. Tack vare det kan olika molekyler träffa på varandra i cellvätskorna och reagera. Om molekylerna inte hade denna rörlighet skulle de biokemiska reaktionerna i kroppen stanna av och vi skulle varken kunna röra oss, tänka eller växa.

Vatten har ovanligt hög ytspänning. Ytspänningen gör vattendroppar runda, gör så att skräddare kan gå på vattenytan. Ytspänningen ger också kapillärkraft som hjälper träden kan "dra" upp vatten via sina kärl flera 10-tals meter. Det är mycket mer än när man har en vanlig sugpump. Då är 10 m den maximala höjden man kan pumpa vatten (beroende på att atmosfärstrycket inte motsvarar en högre vattenpelare än så).

Vattnet är livsnödvändigt

Vatten är ett av de allra viktigaste ämnena på jorden. Det är en av huvudbeståndsdelarna i de levande organismerna och i deras omgivning. En mycket stor del av de kemiska reaktionerna på jordytan sker i vattenlösning och detta gäller inte minst livsprocesserna. Vatten är också det oftast använda lösningsmedlet.

Vatten är en mycket stabilt ämne. Det vatten som finns på vår planet är därför till stora delar mycket gammalt, speciellt det som finns på stort djup i marken och bergen. Men trots att vatten är mycket stabilt så deltar det i de kemiska reaktioner som sker i samband med fotosyntes och respiration. Fotosyntes och respiration fungerar som ett kretslopp i naturen. I fotosyntesen kopplas vatten samman med koldioxid när sockerarter och andra organiska ämnen byggs upp. Stärkelse är exempel på en sockerart som växterna bildar för att lagra energi. Cellulosa och lignin som finns i veden är ett annat exempel.

När djur och människor äter växter förbränns maten och sönderdelas till vatten och koldioxid igen. Kretsloppet i naturen är ett nollsummespel där mängden vatten i stort sett inte ändras. Vattnet som binds i växter och djur kommer snart tillbaka ut i naturen igen och bildar moln, regn och vattendrag.

Eftersom vi är så beroende av vatten för att dricka och laga mat, tvätta oss, för bevattning av odlingsmark, i olika industriella processer med mera, så är vattenkvalitén viktig. Vanligen duger bara sötvatten. Men av allt vatten på jorden är bara en mycket liten del sötvatten. Och av sötvattnet är det mesta bundet i glaciärer. Visserligen har vi gott om rent sötvatten i vårt land, men i många länder är rent vatten en bristvara. Det är därför väldigt viktigt att vi inte förorenar det rena sötvatten som finns, utan är rädd om det och använder det på ett förståndigt sätt.

Vattnet blev referens för temperaturskalan

Vattnets fryspunkt är 0 °C och kokpunkten 100 °C vid normalt lufftryck. Det är ju praktiskt och enkelt med så jämna siffror. Det blev så därför att man valde vatten som referens när temperaturskalan skulle definieras på förslag av Anders Celsius åt 1742. I själva verket satte Anders Celsuis 0 °C vid kokpunkten och 100 °C vid fryspunkten, men senare insåg man att det var mer logiskt att ha det högre värdet när det var varmare. På förslag av Carl von Linné vände man på skalan efter Celsius död, så han Anders Celsius fick själv inte veta att det hade hänt.

När man sedan insåg att det finns en absolut nollpunkt på temperaturskalan definierade man Kelvin-skalan. Avståndet mellan värdena i Kelvin-skalan är exakt lika stort som i Celsius-skalan, men de har olika nollpunkter:
0 K = -273.15 °C och 0 °C = + 273.15 K

Vätebindningar karaktäriserar vattenmolekylen

Vätebindningarna i vatten.
Modifierad av Michal Manas, original av Qwerter (modell): CC BY-SA 3.0, bild

Vattnets polaritet är mycket hög. Polariteten beror på vätebindningar. Vätebindningen är en extra stark dipolbindning som håller samman de olika laddade ändarna hos två vattenmolekyler. Vattenmolekylens syre är lite minusladdad på grund av att syret drar till sig elektronerna i molekylen effektivt. De två vätena är lite plusladdade eftersom de inte drar till sig elektronerna lika bra och den positiva laddningen väteatomens kärna då överväger. Men som helhet är vattenmolekylen oladdad.

Vätebindningarna ger hög ytspänning

Tack vare vätebindningen attraherar vattenmolekylerna varandra extra mycket. Vätebindningarna får vattenmolekylerna att hålla samman i långa kedjor och nätverk, men det är bindningar som hela tiden bryts och återbildas. Styrkan i vätebindningen gör att både smältpunkten och kokpunkten är betydligt högre än man annars skulle förvänta sig.

Vätebindningen gör också att vatten har en ovanligt hög ytspänning. Ytspänningen är ett mått på den sammanhållande energin i vätskeytan.

Vinklad molekyl ger hexagonal struktur

I flytande vatten (vänster) är strukturen oordnad. I fast is (höger) är strukturen ordnad hexagonal och tar då större plats.
Bild: © Svante Åberg

Vätebindningen och det faktum att vattenmolekylen är vinklad gör att vatten i kristallform, dvs. is, har en hexagonal (sexkantig) struktur med tomrum inuti sexhörningarna. Dessa tomrum gör att isen har lägre densitet än flytande vatten.

Det normala är att densiteten hos en vätska ökar när temperaturen sjunker. Det beror på att molekylrörelserna blir mindre häftiga och molekylerna därför inte knuffar bort varandra lika mycket. Även vatten ökar sin densitet när temperaturen sjunker, men bara ned till +4 °C. Blir det ännu kallare minskar densiteten igen. Det beror på att den hexagonala strukturen som vätebindningarna och den vinklade vattenmolekylen orsakar börjar bildas så smått redan innan vattnet fryser till is.

Vattnets syra-basegenskaper

Vatten är ett amfotert ämne. Det betyder att vatten kan fungera både som syra och som bas. Vatten deltar därför i många syra-basreaktioner. Till exempel reagerar vatten med koldioxid och bildar kolsyra som sedan bildar vätekarbonat och karbonat. Det finns flera gaser som bildar syror tillsammans med vatten. Till exempel reagerar svaveltrioxid till svavelsyra och kvävedioxid reagerar med vatten till salpetersyra.

Surhetsgraden anges med pH. pH är definierat bara i en vattenlösning, så vatten är i praktiken universallösningsmedlet för syror och baser i kemiskt arbete.

Litteratur

  1. P. W. Atkins, Physical Chemistry, Fourth Edition, Oxford University Press, Oxford, 1989, 146-151.
  2. L. Wilhelmy, "Ueber die Abhängigkeit der Capillaritäts-Constanten des Alkohols von Substanz und Gestalt des Benetzten Festen Körpers", Ann. Phys. Chem., 1983, 119, 177-179.
  3. M. C. Petty and W. A. Barlow, Langmuir-Blodgett Films, G. Roberts (Ed.), Plenum Press, New York, 1990, 106-109.
  4. K. S. Birdi, Lipid and Biopolymer Monolayers at Liquid Interfaces, Plenum Press, New York, 1989, 32-33.
  5. "Detergents" i Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Vol. A8, 1993?, s. 315-448, VCH Publishers.
  6. F. Smedman, Material presenterat på kurs i "Lärarkemi, 10 p", ht 1994-vt 1995.
  7. Surface Tension Properties of Liquids, Arthur M. Halpern, Indiana State University
    http://isu.indstate.edu/ahalpern/labman/exp16.html (2003-05-25)
  8. The Determination of the Critical Micelle Concentration, Arthur M. Halpern, Indiana State University
    http://isu.indstate.edu/ahalpern/labman/exp30.html (2003-05-25)
  9. Critical Micelle Concentration, KSV
    http://www.ksvinc.com/cmc.htm (2003-05-25)
  10. Molecular Interactions, University of Oxford
    http://physchem.ox.ac.uk/~rkt/lectures/amphi.html (2003-05-25)
  11. KRA-301 Surface Chemistry, School of Chemistry, University of Tasmania
    http://www.chem.utas.edu.au/staff/stack/SurfaceChemLecture2.doc (2003-05-25)
  12. Cell Membranes, Mark Dalton
    http://www.cbc.umn.edu/~mwd/cell_www/chapter2/membrane.html (2003-05-25)
  13. Detergents / Surfactants, BioChemika Ultra
    http://www.sigmaaldrich.com/Brands/Fluka___Riedel_Home/
    Bioscience/BioChemika_Ultra/Detergents_Surfactants.html (2003-05-25)
  14. Surface Tension and the Gibbs Adsorption Isotherm, Professor Dane Jones, California Polytechnic State University
    http://www.calpoly.edu/~drjones/Chem354/Lab_instructions/CMC_Surf_Tens.pdf (2003-05-25)
  15. Saponaria officinalis L. - Såpnejlika, Den virtuella floran
    http://linnaeus.nrm.se/flora/di/caryophylla/sapon/sapooff.html (2003-05-25)
  16. Saponaria officinalis - Soapwort, North Carolina State University
    http://www.ces.ncsu.edu/depts/hort/consumer/poison/Saponof.htm (2003-05-25)
  17. Bouncingbet - The Soap Weed, Larry W. Mitich, Weed Science Society of America
    http://www.wssa.net/subpages/weed/larrymitich/bouncingbet.html (2003-05-25)
  18. Lipids, fats, fatty acids & steroids, Professor James H. Naismith
    http://speedy.st-and.ac.uk/~naismith/teaching/lectures/ch1004/topic2.htm (2003-05-25)
  19. Lipids, Michigan State University
    http://www.cem.msu.edu/~reusch/VirtualText/lipids.htm (2003-05-25)

Fler experiment


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
Trolleri med vätskor
Undersök en- och flervärda alkoholer
Utfällning av aluminium
Utsaltning av alkohol i vatten
Varför slipper bilen varma yllekläder på vintern?
Varför smäller inte ballongen?
Vattenrening
Vattenvulkan
Visa ytspänning med kanel
Vispa grädde
Värmeutvidgning
Åka hiss
Ägget i flaskan
Älskling, jag krympte ballongen

kemisk bindning
Att vara kemisk detektiv
Bestäm CMC för diskmedel
Blandningar av lösningsmedel
Diska med äggula
Ett målande experiment - att rengöra en målarpensel
Frigolit i aceton
Färga ullgarn med svampar
Gore-Tex, materialet som andas
Gummi och lösningsmedel
Gummibandets elasticitet
Gör ett avtryck från papper till stearin
Gör hårt vatten mjukt
Gör kopparslanten skinande ren - med komplexkemi
Hur kan man göra kläder av plast?
Hur mycket vatten finns i maten?
Håller bubblan?
Kemisk vattenrening
Kristallvatten i kopparsulfat
Lödtenn 60
Målarfärgens vattengenomsläpplighet
Mät CMC med hjälp av droppstorleken
När 1 plus 1 inte är 2
Permanenta håret
Slime
Studsboll
Såpbubblor
Tag bort rostfläcken med det ämne som gör rabarber sura
Tillverka din egen glidvalla
Tillverka papperslim
Trolleri med vätskor
Tvätta i hårt vatten
Undersök en- och flervärda alkoholer
Varför färgas textiler olika?
Vattenrening
Visa ytspänning med kanel

kemiska metoder
Att göra bly
Att vara kemisk detektiv
Bestämning av antalet kristallvatten i kopparsulfat
Blev disken ren?
Bränna papper
Elektrofores av grön hushållsfärg
Framkalla fingeravtryck med jodånga
Framkalla fotopapper
Framställ låglaktosmjölk
Förtenning
Gör hårt vatten mjukt
Identifiera plasten
Indikatorpärlor
Innehåller koksaltet jod?
Kemi med zinkjodid, del 2: Återbilda grundämnena elektrokemiskt
Kemisk vattenrening
Matoljans viskositet och omättade fettsyror
Mät CMC med hjälp av droppstorleken
Syrehalten i luft
Testa C-vitamin i maten
Tillverka fotopapper
Tvätta i hårt vatten
Vad innehåller mjölk?
Vattenrening
Visa ytspänning med kanel