Tillverka en ytspänningsvåg

Kemisk bakgrund

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

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).

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]:

• 3-4 % tvättmedel; SDS = NatriumDodecylSulfat = NatriumLaurylSulfat = C₁₂H₂₅SO₄Na
• 2-3 % förtjockningsmedel; CMC = karboxymetylcellulosa (inte samma CMC som Critical Micelle Concentration)
• 1 % stabiliseringsmedel; natriumbensoat
• färgämne
• aromämne

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".

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.

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 = Χ_SL - Χ_SG - Χ_LG 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.

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.

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