المفاهيم الرئيسية

الكيمياء

التوتر السطحي

خافض التوتر السطحي

الجزيئات

الروابط الكيميائية

المقدمة

إذا كنت قد غسلت الأطباق من قبل، فلا بد أنّك تعلم أن اختيار صابون الأطباق الصحيح يسهِّل كثيرًا من عملية التنظيف. هل تساءلت من قبل عن سر قدرة الصابون السائل على تنظيف الأطباق بفاعلية أكبر بكثير مقارنةً بالماء وحده؟ صابون الأطباق، مثله مثل الكثير من المنظفات المنزليّة، هو مادة خافضة للتوتر السطحي، تساعد على تكسير بقايا الطعام الموجودة على الأطباق عن طريق تسهيل ذوبان جزيئات الطعام في الماء. وبالإضافة إلى هذا، يقوم الصابون بتكسير جزيئات الماء نفسها، وهذا يقودنا إلى تعرُّف جوانب مثيرة من علم المطبخ! في هذا النشاط ستلاحظ بعض الخصائص المدهشة التي يُظهرها صابون الأطباق عند وضعه في الماء!

معلومات أساسية

يمكن للسفن العملاقة والبشر ودمى البطّ المطاطيّة أن تطفو على سطح الماء، ويرجع الفضل في ذلك إلى خاصية واحدة مهمة جدًّا لجزيئات الماء، ألا وهي روابط الهيدروجين! تتماسك جزيئات الماء بعضها مع بعض بقوّة عن طريق تكوين هذه الروابط الهيدروجينية بين كل جزيء ماء وآخر. تسمح هذه الروابط لجزيئات الماء الموجودة على السطح بأن تعمل كغشاء قادر على تحمّل أوزان الأشياء الصغيرة، كأوزان تلك الحشرات التي تستطيع المشي على سطح الماء. تُعرف هذه الخاصيّة التي يُظهرها الماء باسم التوتر السطحيّ. ربما تكون قد لاحظت هذه الظاهرة عدة مرات من قبل. هل لاحظت يومًا وجود قطرة من الماء مستقرة على الزجاج الأماميّ لسيارتك؟ تستطيع قطرات الأمطار الاحتفاظ بشكلها الكرويّ، بدلًا من أن تتسطّح أو تتناثر، ويرجع هذا إلى أن الجزيئات التي تتألف منها قطرات ماء المطر ينجذب بعضها إلى بعض بقوة تفوق القوة التي تنجذب بها إلى الزجاج الأماميّ لسيارتك. ونتيجةً لذلك، تتماسك تلك الجزيئات بعضها مع بعض بقوّة، فتكوِّن الشكل الكرويّ لقطرة المطر.

وتعمل المواد الخافضة للتوتر السطحيّ، مثل صابون الأطباق، على تكسير التوتر السطحيّ للماء. ونتيجةً لذلك، تغرق الأشياء الطافية على الماء أو تغيّر من شكلها مع تغيّر درجة التوتر السطحيّ. في هذا النشاط ستستكشف الكيفيّة التي يؤثر بها التوتّر السطحيّ على سلوك الأشياء في الماء، وستستكشف أيضًا لماذا يُعتبر هذا الأمر مهمًّا!

المواد المستخدمة

  • طبق عميق
  • ماء يكفي لملء الطبق العميق حتى منتصفه على الأقل
  • صابون سائل من النوع المخصص لغسل الأطباق
  • شريط مطاطيّ
  • إبرة خياطة معدنيّة

التحضير

  • املأ الطبق العميق بالماء حتى منتصفه على الأقل.

الطريقة

  • ضع الشريط المطاطيّ على طاولة أو أي مكان مسطَّح آخر. لاحظ الشكل الذي يتخذه الشريط المطاطي في أثناء وجوده على الطاولة.
  • ضع الشريط المطاطيّ في طبق الماء. لاحظ الشكل الذي يتخذه الشريط المطاطيّ في أثناء وجوده في الماء. هل يبدو شكله مختلفًا عن الشكل الذي اتخذه حينما كان على الطاولة؟ إذا كان الأمر كذلك، ما هي أوجه الاختلاف؟
  • ضع الإبرة في الماء عند مركز الشريط المطاطيّ. هل تغرق الإبرة أم تطفو؟
  • ضع بضع قطرات من سائل غسيل الأطباق في الماء المُحاط بالشريط المطاطيّ. لاحظ الشكل الذي يتخذه الشريط المطاطيّ. هل تغيّر أيّ شيء في شكل الشريط المطاطيّ حينما أضفت الصابون السائل إلى الماء؟
  • راقب الإبرة. إذا كانت لا تزال طافية، فأضف بضع قطرات أخرى من الصابون السائل. ألا تزال الإبرة طافية أم أنها تغرق؟ لماذا يحدث هذا في اعتقادك؟

المشاهدات والنتائج

في هذا النشاط، استخدمتَ الصابون السائل المخصص لغسل الأطباق لاختبار تأثير التوتر السطحيّ على سلوك الأشياء الطافية في الماء.

في بداية النشاط، يجب أن تكون قد لاحظت طفو الشريط المطاطيّ والإبرة على سطح الماء. سبب طفو الشريط المطاطيّ والإبرة هو تماسك جزيئات الماء بعضها مع بعض بطريقة ينشأ عنها توتر سطحي. تسمح هذه الخاصيّة بطفو العديد من الأشياء على الماء، بما في ذلك الشريط المطاطيّ والإبرة المستخدمان في تجربتك. لا بد أنك لاحظت أيضًا أن الشريط المطاطيّ كان مرتخيًا أو غير منتظم ولم يتخذ شكلًا دائريًّا كامل الاستدارة، بل طفا في شكل مشابه للشكل الذي اتخذه قبل أن تضعه في الماء.

ولكن بعد إضافتك صابون غسل الأطباق إلى الماء، لا بد أنك لاحظت تغيرًا في سلوك الشريط المطاطيّ والإبرة: لا بد أنك رأيت الشريط المطاطيّ يتخذ شكلًا دائريًّا فجأة. بالإضافة إلى ذلك، لا بد أنك لاحظت أن إضافة صابون غسيل الأطباق تسببت في غرق الإبرة إلى قاع الطبق بعد أن كانت طافية.

كلتا النتيجتين حدثت للسبب نفسه، وربما تكون قد خمَّنت بالفعل أن الأمر له علاقة بصابون غسل الأطباق، الذي يعتبر مادة خافضة للتوتر السطحيّ يتم تصنيعها بطريقة تعمل على كسر التوتر السطحيّ للماء. هذا الأمر يجعل من صابون غسل الأطباق مادة تنظيف ممتازة. بعد إضافتك سائل تنظيف الأطباق إلى مركز الشريط المطاطيّ، تكسَّر التوتر السطحيّ للماء في المنطقة الموجودة داخل الشريط. إلا أن صابون غسل الأطباق لم يصل إلى الماء الموجود خارج الشريط، ولهذا ظل هذا الماء محتفظًا بدرجة قوية من التوتر السطحي، فتسبَّبَ في شدّ الشريط المطاطيّ نحو الخارج في جميع الاتجاهات، وهذا جعل الشريط المطاطيّ يتخذ شكلًا دائريًّا بطريقة مفاجئة.

وبالمثل، بعد إضافتك الصابون السائل إلى الماء، لا بد أنك رأيت أن الإبرة تغرق إلى قاع الطبق. يرجع هذا إلى أن الماء لم يعد قادرًا حينها على تحمُّل وزن الإبرة، بعد أن كَسَرَ الصابون التوتر السطحيّ للماء.

تم تقديم هذا النشاط بالشراكة مع "ساينس باديز".