Opisy ciekawych doświadczeń

Antybańki i balony

Nie mieszające się normalnie płyny (uwaga: do płynów zaliczamy gazy i ciecze) tworzą niekiedy po ich przymusowym zmieszaniu ciekawe struktury. W poprzednim numerze Kuriera Chemicznego można się było przekonać, że przedstawiciele jednego z typów takich struktur tj. bańki mydlane mogą być przydatne do badania palności wodoru lub paramegnetyzmu tlenu. W poniższym artykule zajmiemy się nieco szerzej możliwościami tworzenia różnorodnych struktur o takim charakterze.

Rys. 1.

Jak wytworzyć bańkę mydlaną wie każde dziecko (rys.1), łatwa do opisania jest też jej budowa - jest to po prostu pewna ilość powietrza zamknięta w cienkiej błonce cieczy otoczonej powietrzem.

Czy można sobie wyobrazić zjawisko powstałe po zamienieniu miejscami powietrza i wody? Antybańkę? Kroplę oddzieloną od reszty roztworu cienką warstewką powietrza? Tak, strukturę takiego tworu przedstawia rysunek 2.

Rys. 2. Antybańka: W-woda, P-powietrze

Co więcej, okazuje się, że nietrudno go otrzymać. Należy w tym celu wprowadzać rozcieńczony roztwór detergenta do naczynia z takim samym roztworem. Najlepiej powierzchnię cieczy w naczyniu pokryć warstwą baniek i upuszczać między nie krople roztworu, np. z pipety, z wysokości około 2cm. Na efektywność powstawania antybaniek ma wpływ stężenie i rodzaj zastosowanego środka powierzchniowo czynnego. Obserwacje antybaniek ułatwia dodanie soli do wkraplanego roztworu w celu zwiększenia ciężaru właściwego i nie dopuszczenia do ich wypływania na powierzchnię. Jednocześnie należy umieścić cukier na dnie naczynia, aby wytworzony gradient gęstości roztworu powstrzymywał antybańki przed opadaniem na dno.

Rys. 3. a) bańka na powierzchni wody b) antybańka przy powierzchni c) pływająca kropla

Antybańki wprawdzie opalizują podobnie jak zwykłe bańki, ale znacznie wolniej dążą do powierzchni cieczy. Są przecież prawie pełne roztworu takiego jak ten, który je otacza, więc siła wyporu jest znikoma. Jeżeli zdarzy im się pęknąć, to z byłej otoczki powietrznej powstają maleńkie "zwykłe" bąbelki. Gdy antybańka szczęśliwie osiągnie powierzchnię nie wynurza się i nie staje się (wbrew pozorom!) "przeciwnością" bańki pływającej po powierzchni cieczy (rys.3). Zjawiskiem w którym ciecz i gaz zamieniły się miejscami w stosunku do bańki pływającej po powierzchni są pływające krople.

Można je otrzymać zakraplając detergent jak przy antybańkach, lecz na powierzchnię nie pokrytą bańkami i bez dodawania soli. Jedno z proponowanych wyjaśnień fenomenu ich pływania zakłada, że warstewka powietrza pod kroplą ugina jej dno formując niewielki pęcherzyk. Jedyną drogą ujścia dla powietrza jest otaczający je wąski przesmyk; trwałość kropli zależy od szybkości ucieczki powietrza. Model ten tłumaczy również niemożność wytworzenia pływających kropli na powierzchni zanieczyszczonej cieczy - cząstki zanieczyszczenia przebijają warstewkę powietrza i łączą kroplę z powierzchnią cieczy.

Rys. 4. Cząsteczki środka powierzchniowo czynnego na granicy faz a) woda-powietrze b) woda-olej. T-hydrofobowy "ogon", L-lipofobowa "główka".

Podobne struktury można także otrzymać np. w układzie woda-olej. Można by się tego zresztą spodziewać zwróciwszy uwagę na podobieństwo w rozmieszczeniu cząsteczek substancji powierzchniowo czynnej na granicach faz woda-powietrze i woda-olej.

Cząsteczki substancji powierzchniowo czynnych (detergentów) zawierają tzw. grupy hydrofilowe i hydrofobowe. Grupy hydrofobowe ("unikające wody") to najczęściej reszty węglowodorowe np. C₁₇H₃₅. Natomiast do grup hydrofilowych zalicza się np. grupy aminowe, karboksylowe czy fosforowe, występują one zazwyczaj w postaci jonowej. Cząsteczki detergenta zanurzają się hydrofilowymi końcami w warstwę wodną a hydrofobowymi w olej lub powietrze.

Można też komponować układy wielowarstwowe. Jako prosty przykład może posłużyć "balon" powietrzno-olejowo-wodny. W naczyniu należy umieścić warstwę odpowiednio ciężkiego oleju, na niej warstwę wody i do warstwy olejowej wprowadzać pęcherzyki powietrza. Mniejsze z nich będą zawisały pod powierzchnią wody, lecz większe przerwą ją zabierając ze sobą otoczkę oleju i staną się balonami powietrzno-olejowo-wodnymi.

Zachęcam do samodzielnych badań.

Dariusz Paradowski

Literatura: Journal of Chemical Education [1988] str. 608

KCh 3/91

Komentarz czytelnika stron ChemFana:

Od razu pragnę się przyznać, ze jestem na tej stronie po raz pierwszy. Moja uwagę przyciągnęło zaproponowane przez Pana Dariusza Paradowskiego doświadczenie zatytułowane "Banki i antybańki". Gratuluje serdecznie ciekawego pomysłu; rzeczywiście jako doświadczenie szkolne może być bardzo pomocne, szczególnie w szkole podstawowej (teraz już w gimnazjum), gdzie liczy się przede wszystkim zainteresowanie ucznia tematem, a w szkole podstawowej lub w gimnazjum można to tylko osiągnąć przygotowując ciekawe i widowiskowe doświadczenia. Podoba mi się również opracowanie teoretyczne załączone do doświadczenia. Polecam też zastanowić się nad przyczyna dość ciekawego zachowania się surfaktantów (z j. ang. środek powierzchniowo czynny) w różnych rozpuszczalnikach, po przekroczeniu pewnego dość charakterystycznego stężenia zwanego krytycznym stężeniem micelarnym (c.m.c.). Polecam "Fizyko-chemię powierzchni" autorstwa Danikiewicza, oraz wymianę poglądów na temat surfaktantów ze mną pod adresem: rafciu@ichf.edu.pl.
Z wyrazami szacunku
mgr Rafał Świerzewski, Zakład Kalorymetrii, Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk, Warszawa.

Komentarz wpłynął do ChemFana dn. 1999-10-11