مفاهیم کلیدی: شیمی، مولکول، کشش سطحی
مقدمه:
آیا به قطره‌های باران روی شیشه‌ی پنجره در یک روز بارانی توجه کرده‌اید؟ به نظرتان چرا آب به جای پخش شدن بر روی سطح به صورت قطره درمی‌آید؟ ممکن است برایتان عجیب باشد اما این خاصیت آب به شستن ظروف و لباس‌ها نیز مربوط است. تمام این مسائل ناشی از خاصیتی به نام کشش سطحی هستند. این فعالیت علمی را انجام دهید تا در مورد کشش سطحی بیشتر بیاموزید.
پیش‌زمینه:
اگر در یک روز بارانی به سطوح مختلف زیر باران نگاه کنید یا اگر مقداری آب روی یک سطح بریزید، مشاهده خواهید کرد که مایع تمایل دارد به جای پخش شدن روی سطح به صورت قطراتی که به سطح چسبیده‌اند دربیاید. این اتفاق به دلیل آن است که آب از مولکول‌های بسیار کوچکی تشکیل شده است که به یکدیگر جذب می‌شوند. مولکول‌هایی که در وسط قطره‌ی آب قرار گرفته‌اند در همه‌ی جهات به طور یکسان توسط مولکول‌های همسایه کشیده می‌شوند. اما مولکول‌هایی از قطره‌ی آب که در نزدیکی سطح قرار دارند بیشتر توسط مولکول‌های زیرین به سمت داخل قطره کشیده می‌شوند و درنتیجه کشش سطحی به وجود می‌آید. سطح یک قطره‌ی آب توسط جاذبه‌ی بین مولکول‌های آن حفظ می‌شود. حال بیایید در مورد شستن ظروف و لباس‌های کثیف صحبت کنیم. حفره‌ها و ترک‌های بسیار کوچکی مانند فضای میان الیاف یک پیراهن وجود دارند که به منظور تمیز شدن لازم است آب به آنها نفوذ کند. برای اینکه آب آسان‌تر در این فضاهای کوچک جریان پیدا کند، باید کشش سطحی آن کاهش یابد. این کار را می‌توان با اضافه کردن صابون که یک سورفاکتانت (ماده‌ی سطح فعال؛ ماده ای که کشش سطحی مایعات را کاهش می‌دهد.) است انجام داد. در این فعالیت علمی شما با ریختن قطره‌های آب بر روی یک سکه خواهید دید که چگونه مواد صابونی کشش سطحی آب را کاهش می‌دهند.
مواد و وسایل لازم:
سکه
قطره‌چکان
یک لیوان یا کاسه‌ی شیشه‌ای کوچک
آب
مایع ظرفشویی
حوله
یک سطح صاف که بتوان روی آن آب ریخت.
کاغذ و مداد یا خودکار (اختیاری)
آماده‌سازی:
سکه را بر روی یک سطح صاف که می‌توان روی آن آب ریخت قرار دهید.
داخل لیوان یا کاسه‌ی شیشه‌ای خود آب بریزید.
روش کار:
داخل قطره‌چکان آب بریزید.
حال با دقت قطره‌های آب را یکی یکی روی سکه بریزید. قطره‌چکان را دقیقاً بالای سکه نگه دارید (نوک آن نباید به سکه برخورد کند) تا هر قطره‌ی جدید فاصله‌ای کوتاه تا رسیدن به سکه و ادغام با قطره‌های دیگر طی کند. می‌توانید تعداد قطره‌هایی که روی سکه می‌ریزید را یادداشت کنید. به نظرتان چند قطره آب روی سکه جا می‌شود؟ قطره‌ی آبی را که روی سکه در حال بزرگ شدن است به دقت مشاهده کنید؛ این قطره باید به تدریج بزرگتر شود تا جایی که به لبه‌ی سکه برسد.
به اضافه کردن قطره‌ها ادامه دهید. (در صورت نیاز قطره‌چکان را مجدداً پر کنید.) قبل از اینکه قطره‌ی بزرگ روی سکه به لبه برسد و به اطراف بریزد، تعداد قطره‌هایی که ریخته‌اید چقدر است؟
زمانی که قطره‌ی روی سکه به اطراف ریخت، سکه و اطراف آن را کاملاً خشک کنید. تعداد قطره‌هایی که تا این مرحله روی سکه ریخته‌اید چقدر است؟
مقدار کمی مایع ظرفشویی را با آب مخلوط کنید.
حال مراحل قبل را با آب همراه با مایع ظرفشویی تکرار کنید. به نظر شما در این حالت تعداد قطره‌هایی که می‌توانید روی سکه بریزید بیشتر است یا کمتر؟ قطره‌های آب همراه با مایع ظرفشویی را یکی یکی روی سکه بریزید. قبل از اینکه قطره‌ی بزرگ روی سکه به لبه‌ها برسد و به اطراف بریزد تعداد قطره‌هایی که ریخته‌اید چقدر است؟
آزمایش‌های تکمیلی:
این فعالیت را با مایعات مختلف تکرار کنید. (قبل از استفاده از هر مایعی حتماً از بزرگتر خود اجازه بگیرید.) تفاوت بین مواد شوینده‌ی مختلف مانند مایع دستشویی و مایع لباسشویی و یا مایعات مختلف مانند شیر و آبمیوه چگونه است؟ کدام یک از آنها قطره‌ی بزرگتری روی سکه ایجاد می‌کنند؟
به جای سکه از یک جسم دیگر برای تشکیل قطره روی آن استفاده کنید. مواد مختلف چگونه روی اندازه‌ی قطره تأثیر می‌گذارند؟
مشاهده و نتیجه‌گیری:
در این فعالیت علمی باید مشاهده کرده باشید که آب قطره‌ی بزرگتری روی سکه نسبت به آب مخلوط با مواد شوینده تشکیل می‌دهد. دلیل این اتفاق کشش سطحی بیشتر آب در مقایسه با آب مخلوط با مواد شوینده است که باعث می‌شود قطرات بیشتری بتوانند در کنار هم روی سکه باقی بمانند. اضافه کردن مواد شوینده سبب کاهش کشش سطحی آب می‌شود و در نتیجه قطره‌ی تشکیل شده روی سکه ضعیف‌تر خواهد بود. چیزی که باعث می‌شود مواد شوینده بتوانند ظروف و لباس‌های کثیف را آسان‌تر تمیز کنند کاهش چسبندگی میان مولکول‌های آب است.
منبع:
Measure Surface Tension with a Penny
منابع مفيد:
نيروي چسبندگي
آزمايش کشش سطحي
Surface Tension
Surface Tension-WIKI