مفاهيم أساسية

الكيمياء

التوتر السطحي

جزيئات الماء

مقدمة

هل حاولت من قبل عمل فقاعة ورغم محاولاتك الكثيرة ترفض الفقاعة أن تتكون؟ لماذا يحدث ذلك؟ ولماذا تتكون الفقاعات من الأساس؟ ولماذا يصعب في بعض الأحيان تكوينها؟ سنستكشف في هذا النشاط كيف تتكون الفقاعات، ونختبر أقصى حجم يمكن أن تصل إليه الفقاعات.

معلومات أساسية

ربما تعلم أن الفقاعات تعتمد على التوتر السطحي كي تنجح في التماسُك؛ إذ تميل جزيئات الماء إلى التشبث والالتصاق بعضها ببعض، تمامًا مثلما ينجذب مغناطيس لمغناطيس آخر ويصطف معه، فتجد أن جزيئات الماء يتحد بعضها مع بعض وتكوِّن روابط هيدروجينية ينتج عنها توتر سطحي، وهذا التوتر السطحي هو الذي يسمح لسطح الماء بأن يتحرك وكأنه غشاء مرن يتمدد ويحتفظ بشكل معين. وإذا أسقطت كميةً قليلةً من الماء على قطعة من ورق الشمع، فسترى مثالًا عمليًّا رائعًا على التوتر السطحي، فبدلًا من أن يتناثر الماء أو ينتشر على السطح، ستجد أن الماء يكوِّن قطراتٍ دائريةً صغيرةً على الورقة، وتنجح هذه القطرات في الاحتفاظ بشكلها بسبب انجذاب جزيئات الماء بعضها إلى بعض بصورة أكبر من انجذابها لورق الشمع، وتساعد قوة الانجذاب هذه على تماسُك قطرات الماء بعضها مع بعض.

في الواقع، التوتر السطحي للماء شديد القوة، حتى إنه يحول دون حصولنا على فقاعات من الماء فقط، ولكن إضافة الصابون أو إحدى المواد المنظفة يقلل التوتر السطحي للماء، مما يتيح تَكوُّن الفقاعات. ويحدث ذلك لأن الصابون أو المنظف يخلق مسافة بين جزيئات الماء، مما يقلل من قوة انجذاب بعضها إلى بعض. وإذا عدنا إلى التشبيه بالمغناطيس مرة أخرى، فإن وجود مغناطيسين بالقرب من بعضهما يعني أن قوى التجاذُب بينهما تكون أقوى كثيرًا مما إذا فصلت بينهما ببطء، وبالمثل فإن تقليل قوى التجاذُب بين جزيئات الماء يقلل التوتر السطحي للسائل، مما يسمح بتشكيل الفقاعات.

أدوات التجربة

  • قصبتان خشبيتان (لا يقل قطرهما عن 1.27 سم لتحصل على أفضل النتائج)
  • مسماران حلقيان (حلقة مغلقة لها قاعدة مُسنَّنة)
  • حبل من خيوط الغزل أو الخيوط المجدولة (لا يقل طوله عن 5 أمتار ونصف)
  • حلقتان معدنيتان
  • محلول فقاعات (يمكنك صنع محلول فقاعات بنفسك باستخدام المكونات المذكورة فيما يلي)
  • دلو كبير لوضع محلول الفقاعات
  • مساحة مفتوحة تسمح بالتحرُّك فيها
  • شريط قياس
  • مقص
  • شخص كبير لمساعدتك

الأدوات المطلوبة لصنع محلول الفقاعات (تكفي لإعداد لترين تقريبًا)

  • 8 أكواب من الماء
  • نصف كوب من صابون غسيل الأطباق
  • ملعقة كبيرة من الجلسرين
  • ملعقة كبيرة من مسحوق الخبز

الإعداد للتجربة

  • هذه التجربة قد تتسبب في بعض الفوضى، لذا بدءًا من هذه الخطوة يجب تنفيذ كل الخطوات خارج المنزل.
  • ضع محلول الفقاعات في الدلو، وإذا كنت ستصنع المحلول بنفسك، امزج كافة المكونات في الدلو، مع التقليب البطيء حتى تمتزج كافة المكونات (حاول تجنُّب تكوين رغوة كثيفة على سطح المحلول).
  • اطلب من الشخص الكبير المساعدة في إدخال مسمار حلقي في إحدى نهايتي كل عصا خشبية.

خطوات التجربة

  • قص الخيط بطول 91 سم تقريبًا، ومرِّره في إحدى الحلقتين المعدنيتين، وعبر المسمارين الحلقيين لتحصل على حلقة، ثم اربط طرفي الخيط معًا (يمكن أن تكون العقدة في أي مكان)، هذه هي عصا الفقاعات التي ستستخدمها.
  • ضع دلو محلول الفقاعات في مكان مفتوح، ثم ضع شريط القياس على الأرض، لتكون بدايته عند الدلو، ويمتد ثلاثة أمتار على الأقل باتجاه الرياح.
  • أمسك عصا الفقاعات من القصبتين الخشبيتين، من الطرفين اللذين لا يحتويان على المسمارين، ثم اجعل المسمارين يلمس بعضهما بعضًا برفق، واغمر الخيط تمامًا في محلول الفقاعات.
  • ارفع عصا الفقاعات برفق من محلول الفقاعات، وافصل أطراف القصبتين الخشبيتين لفتح حلقة الخيط.
  • أبعد عصا الفقاعات عن جسمك، وسر ببطء على طول شريط القياس في اتجاه الرياح.
  •  
  • في رأيك، ما حجم الفقاعة التي يمكنك أن تصنعها؟
  • اطلب من الشخص الكبير مساعدتك في قياس طول الفقاعة التي صنعتها، وكرر الأمر 5 مرات على الأقل، وتذكر المرة الأطول.
  • قص الخيط وأخرجه من عصا الفقاعات، واحتفظ بالحلقة المعدنية.
  • قص خيطًا آخر بطول 183 سم تقريبًا، ومرِّره عبر إحدى الحلقتين المعدنيتين، ومن خلال المسمارين الحلقيين لتكوين حلقة، ثم اربط طرفي الخيط معًا (من الممكن أن تكون العقدة في أي مكان).
  • كرر خطوات صنع الفقاعة السابقة باستخدام عصا الفقاعات الأطول هذه المرة، ثم قس أطول فقاعة يمكنك الحصول عليها بهذا الخيط الذي يبلغ طوله 183 سم.
  •  
  • هل تعتقد أن صنع هذه الفقاعة سيكون أسهل أم أصعب؟
  • قص الخيط وأخرجه من عصا الفقاعات، واحتفظ بالحلقة المعدنية.
  • قص خيطًا آخر بطول 274 سم تقريبًا، ومرِّره في الحلقتين المعدنيتين والمسمارين الحلقيين لتكوين حلقة، ثم اربط طرفي الخيط معًا (يمكن أن تكون العقدة في أي مكان).
  • اطلب من الشخص البالغ مساعدتك في تكرار عملية تكوين الفقاعات، وكلٌّ منكما يمسك إحدى قصبتي عصا الفقاعات. قس أطول فقاعة يمكنك الحصول عليها بهذا الخيط الذي يبلغ طوله 274 سم.
  •  
  • هل تعتقد أن بإمكانك صنع فقاعات بعصا طولها 274 سم؟ هل تعتقد أنها من الممكن أن تكون أكبر؟
  • نشاط إضافي: اختبر محلول الفقاعات، وحاول التخلص من الجلسرين أو مسحوق الخبز.
  •  
  • كيف تؤثر هذه المكونات على الفقاعات التي تكوِّنها؟
  • نشاط إضافي: اترك محلول الفقاعات ليلةً، ثم جرب إعادة هذا النشاط مرة أخرى. اختبر المحلول لترى هل يمكنك تكوين فقاعات أكبر.

الملحوظات والنتائج

في هذا النشاط، نجحت في تكوين أكبر فقاعات ممكنة باستخدام خيط والتحلي ببعض الصبر. ولعلك لاحظت أنه كان من الأسهل الحصول على فقاعات كبيرة باستخدام الخيط الأقصر، وكلما زاد طول الخيط (خاصة عندما كان طوله 274 سم)، زادت صعوبة تكوين الفقاعات.

نعلم أن الفقاعات تحتفظ بشكلها نتيجةً للتوتر السطحي، وفي الحقيقة يتكون خليط محلول الفقاعات الذي يشكل سطح الفقاعة من ثلاث طبقات رقيقة هي: الصابون والماء وطبقة أخرى من الصابون، أو ما يسمى غشاءً صابونيًّا. والتوتر السطحي لطبقة الماء هو ما يعطي الفقاعة تماسكها، لذا عندما يتبخر الماء الموجود بين طبقتي الصابون، تنفجر الفقاعة. وللحصول على فقاعات أكبر وأقوى، يجب أن تكون جدران الصابون أكثر سُمكًا حتى تمنع تبخر الماء، ولهذا أضفنا الجلسرين حتى تصبح جدران الصابون أكثر سمكًا، وبالتالي تتماسك الفقاعة. وهذا يساعد على الحصول على فقاعات أكبر وأقوى وتستمر مدةً أطول.

لكن عند نقطة محددة، يصبح حجم الفقاعات كبيرًا لدرجة يصعب معها الاحتفاظ بتماسكها؛ لأن الفقاعات الكبيرة لديها أسطح أكبر حجمًا، مما يعني وجود مساحة أكبر لتأثير القوى الخارجية مثل الضغط الجوي والجاذبية، هذا بالإضافة إلى أن الفقاعات الكبيرة تكون أثقل وزنًا. تخيَّل بناء نفق بمكعبات الليجو، ستجد أن بإمكانك بناء نفق طويل للغاية بقُطر صغير، لكنك إذا حاولت بناء نفق بحجم يسمح بسير شخص بالغ، فستكون هناك صعوبات أكبر في دعم الوزن حتى يظل النفق قائمًا، وهذا يشبه ما حدث عند استخدام عصا فقاعات بخيط طوله 274 سم، فقد كان حجم الفقاعة أكبر كثيرًا، ومن ثم كانت أكثر هشاشة.

إنهاء التجربة

أفرغ مزيج الصابون في بالوعة الصرف.