Slime

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:

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