Kluczowe pojęcia
Chemia
Środki powierzchniowo czynne
Gęstość
Polaryzacja

Wprowadzenie
Być może słyszałeś, jak ludzie mówią: „Te dwie mieszają się jak olej i woda”, kiedy opisują dwie osoby, które się nie dogadują. Być może zauważyłeś też błyszczący olej unoszący się na powierzchni kałuże wody po deszczu. W obu przypadkach rozumiesz, że woda i olej nie pasują do siebie, ale czy kiedykolwiek zastanawiałeś się, dlaczego? Tak wiele innych rzeczy może się rozpuścić w wodzie – dlaczego nie w oleju? W tym ćwiczeniu zbadamy, co sprawia, że olej jest tak wyjątkowy, a my postaramy się, aby niemożliwe stało się możliwe: zmieszanie oleju i wody!

Tło
W przeciwieństwie do wielu innych substancji, takich jak soki owocowe, barwniki spożywcze, a nawet cukier i sól, oleje tak nie miesza się z wodą. Przyczyna jest związana z właściwościami oleju i wody. Cząsteczki wody składają się z jednego atomu tlenu i dwóch atomów wodoru. Oprócz tej bardzo prostej struktury, mol Cules są polarne, co oznacza, że istnieje nierównomierny rozkład ładunku w cząsteczce wody. Woda ma częściowy ładunek ujemny z atomu tlenu i częściowe ładunki dodatnie na atomach wodoru. Ta polaryzacja umożliwia cząsteczkom wody tworzenie między sobą silnych wiązań wodorowych, między ujemnie naładowanym atomem tlenu w jednej cząsteczce wody a dodatnio naładowanymi atomami wodoru w drugiej. Inne cząsteczki, takie jak sole i cukry, również mogą rozpuszczać się w wodzie ze względu na jej polarność. Ładunki na obu końcach cząsteczki wody pomagają rozbić struktury chemiczne innych cząsteczek.

Natomiast oleje są niepolarne, w wyniku czego nie przyciąga ich polarność cząsteczek wody. W rzeczywistości oleje są hydrofobowe lub „boją się wody”. Zamiast przyciągać cząsteczki wody, cząsteczki oleju są przez nie odpychane. W rezultacie, gdy dodasz olej do filiżanki wody, nie mieszają się one ze sobą. Ponieważ olej jest mniej gęsty niż woda, zawsze będzie unosić się na wodzie. na powierzchni wody, tworząc powierzchniową warstwę oleju. Mogłeś to zobaczyć na ulicach po ulewnym deszczu – na niektórych kałużach wody unosi się warstwa oleju.

W tym ćwiczeniu przetestujemy moc środków powierzchniowo czynnych, które pomagają nam mieszać olej i wodę. Środkiem powierzchniowo czynnym, którego będziemy używać, jest środek do mycia naczyń, który pomaga zlikwidować napięcie powierzchniowe między olejem a wodą, ponieważ jest amfifilowy: częściowo polarny, a częściowo niepolarny. W rezultacie detergenty mogą wiązać do cząsteczek wody i oleju. Wyniki tej właściwości zobaczymy w tym ćwiczeniu!

Materiały

• 2 przezroczyste plastikowe butelki na wodę z pokrywkami
• 2 szklanki wody
• Pół szklanki oleju (wystarczy oliwa, olej kuchenny lub roślinny)
• Płynne mydło do mycia naczyń
• Zegar lub minutnik
• Trwały marker
• Miarka
• Miarka
• Barwnik spożywczy (opcjonalnie)

Przygotowanie

• Usuń wszystkie etykiety z butelek z wodą.
• Użyj markera do oznaczenia butelek: oznacz pierwszą etykietę „Olej + woda”, a drugą „Olej + Woda + mydło ”. Napisz etykiety jak najbliżej szczytów butelek.
• Wlej jedną filiżankę wody do każdej butelki.

Procedura

• Ostrożnie odmierz i wlej jedną czwartą szklanki oleju do butelki oznaczonej jako olej + woda. Pozostaw butelkę na blacie lub płaskiej powierzchni, obserwując wodę i olej. Czy olej opada na dno butelkę, usiądź na wodzie lub wymieszaj z nią?
• Powtórz ten krok, dodając jedną czwartą szklanki oleju do butelki oznaczonej jako olej + woda + mydło. Czy olej opada na dno, usiądź na wodę lub wymieszać z nią?
• Ostrożnie dodaj trzy łyżki płynu do naczyń do butelki oznaczonej jako olej + woda + mydło. Staraj się nie potrząsać butelką podczas dodawania płynu do naczyń.
• Upewnij się, że zakrętki są mocno dokręcone do każdej butelki.
• Trzymając butelkę w obu rękach, energicznie wstrząsaj butelkami przez 20 sekund.
• Odstaw butelki na płaskiej powierzchni z dużą ilością światła.
• Zanotuj godzinę na swoim zegarze lub ustaw zegar na 10 minut.
• Obserwuj zawartość każdej butelki. Trzymaj je pojedynczo pod światło, aby wyraźnie zobaczyć, co dzieje się w butelce. Czy coś się zmieniło, kiedy potrząsałeś butelkami? Czy mieszanki wyglądają tak samo w obu? Jeśli nie, co się między nimi różni? Jak wyjaśniłbyś różnice, które obserwujesz?
• Po upływie 10 minut obejrzyj zawartość butelek i zapisz zmiany. Jak wygląda olej i woda w każdej butelce? Czy olej zmieszał się z wodą, opadł na dno lub wzniósł się do góry?
• Dodatkowe: dodaj barwnik spożywczy do wody, aby uzyskać efekt lampy lawowej
• Dodatkowe: przetestuj inne rodzaje mydła, takie jak pasta do zębów, mydło do rąk i szampon, mieszając je z olejem i woda.

Obserwacje i wyniki
W tym ćwiczeniu połączyłeś olej i wodę, a następnie zaobserwowałeś, jak dodanie detergentu do naczyń zmieniło właściwości tej mieszanki. Najpierw powinieneś zauważyć, że po dodaniu oleju do wody nie zmieszały się ze sobą. Zamiast tego olej utworzył warstwę na powierzchni wody. Dzieje się tak, ponieważ olej jest mniej gęsty niż woda i dlatego wypływa na powierzchnię. Kiedy potrząsałeś butelką Oil + Water, być może zauważyłeś, że olej rozpadł się na drobne kulki. Te koraliki jednak nie zmieszały się z wodą. Po pozostawieniu butelki z olejem i wodą na 10 minut, powinieneś był zauważyć, że olej i woda prawie natychmiast zaczęły się ponownie rozdzielać, a po kolejnych 10 minutach w Twojej butelce znowu pojawiły się dwie wyraźne warstwy.

W kontrast, który powinieneś był zauważyć, potrząsanie butelką z olejem + wodą + mydłem spowodowało powstanie dużej ilości piany, ale zamiast od razu zacząć się rozdzielać, mieszanina miała mętny, żółty kolor. W końcu olej i woda powinny ponownie rozdzielić się na dwie warstwy, ale warstwy te powinny wydawać się mniej wyraźne i bardziej mętne niż warstwy w butelce z olejem i wodą.

Różnica między tymi dwoma butelkami wynika z dodania naczynia detergentu do butelki olej + woda + mydło. Cząsteczki detergentu mogą tworzyć wiązania zarówno z cząsteczkami wody, jak i oleju. Dlatego chociaż olej i woda technicznie nie mieszają się ze sobą, cząsteczki płynu do mycia naczyń działają jako pomost między cząsteczkami oleju i wody. W rezultacie cząsteczki oleju i wody nie są wyraźnie oddzielone w butelce. Zamiast tego widzisz mętną mieszaninę powstałą w wyniku oleju, mydła i łańcuchów wodnych utworzonych przez dodanie detergentu do naczyń.

Więcej do odkrycia
Goo-Be-Gone: usuwanie wycieków oleju, od Science Buddies
Zrób własną lampę lawową, z Scientific American
Chemia czystego: Zrób własne mydło do badania syntezy mydła, od Science Buddies
Science Activities for All Ages !, od Science Buddies

To ćwiczenie we współpracy z Science Buddies