Såpbubblor

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.


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.

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.

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.


Fyra typer av detergenter

Detergenter är amfifiler med en opolär del och en polär.

Den opolära "svansen" är alltid ett kolväte, eller möjligen ett par kolvätekedjor. Kolväten är typiskt opolära ämnen som skyr vatten. Ju längre kolvätet är, desto mer opolära egenskaper får molekylen som helhet. Vanligtvis är kolvätekedjan ganska lång.


Klasser av ytaktiva ämnen: icke-joniska, anjoniska, katjoniska och zwitterjoniska
"Tenside haben hyrophile und hydrophobe Enden" av Roland.chem" (CC BY-SA 3.0)

Det polära "huvudet" kan vara av olika typer. På tvättmedels- eller diskmedelsförpackningen brukar den ungefärliga sammansättningen av de olika typerna vara angiven.

Icke-joniska detergenter

Icke-joniska detergenter har en polär grupp som inte är en jon.

Ett vanligt exempel är PEG, polyetylenglykol, som har formeln H−(O−CH2−CH2)n−OH. OH-gruppen är oladdad, men starkt polär på grund av att den höga elektronegativiteten hos syreatomen attraherar elektronmolnet från väteatomen så att syreatomen får en negativ och väteatomen för en positiv nettoladdning.

Anjoniska detergenter

Anjoniska detergenternas polära grupp är en negativ jon. Typiska detergenter är alkylbensensulfonater med den allmänna formeln R–C6H4–SO3, där R är en kolvätekedja.

Exempel är natriumsaltet av dodekylbensensulfonat, C12H25-C6H4-SO3Na.

Katjoniska detergenter

Katjoniska detergenter liknar anjoniska sådana, men den polära gruppen utgörs i stället av en positiv jon. Jonen kan vara ett ammoniumsalt (R-NH4+) eller ett kvarternärt ammoniumsalt (R4N+).

Zwitterjoniska detergenter

En zwitterjon är en positiv och en negativ jon på samma molekyl. Den katjoniska delen är en primär, sekundär eller tertiär amin eller en kvaternär ammonium-katjon. Den anjoniska delen är ofta sulfonat eller ammonium-karboxylat, men det finns många varianter.