בשער-קהילה אקדמית למען החברה בישראל בשער בפייסבוק - קהילה אקדמית למען החברה בישראל בשער - קהילה אקדמית למען החברה בישראל בשער - קהילה אקדמית למען החברה בישראל
דף הבית   |   על בשער   |   פעילויות בשער   |   ספר אורחים   |   צור קשר      רשימת תפוצה
 
 
 > שלח שאלה למומחה
 
 
 
     כל התחומים
     אסטרופיזיקה
     אפיגנטיקה
     ארכיאולוגיה
     הנדסת חשמל
     הנדסת מזון
     השכלה גבוהה
     חינוך
     כימיה
     מדעי המוח
     מדעי כדור הארץ
     מנהל עסקים
     פרקינסון
     קרימינולוגיה
     קרקע ומים
     ננוטכנולוגיה
     הנדסה
     מדעי המחשב
     כימיה
     ביולוגיה
     פיזיקה
     רפואה
     מתמטיקה
     מדעי הסביבה
     גיאוגרפיה
     מוט"ב
     הוראת המדעים
     אזרחות
     כלכלה
     היסטוריה
     משפטים
     פסיכולוגיה
     תנ"ך
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 > בשער האזרחות
 
 
 > הרצאות מומחים ברשת
 
 
 
שאלה מספר 10423 - הסבר ניסוי כדורים סופחי מים תאריך: 20/3/2020
תחומי דעת:  כימיה  
שלום, בניסוי אותו ערכו התלמידים, כדורי הידרוג'ל הושרו במים מזוקקים למשך 25 שעות ולאחר שספחו מים והתנפחו הועברו לתמיסות נתרן כלורי בריכוזים: 0.75-2 מולר. ציפינו כי השינוי במסת הכדורים יעלה עפ"י הנוסחה ללחץ אוסמוטי, כל שריכוז היונים המומסים עולה,עולה הלחץ האוסמוטי שמפעילות מולקולות המים ובכך יותר מים יעברו מהכדור הספוח לתמיסה במטרה להשוות ריכוזים וכתוצאה מכך אחוז השינוי במסה יעלה. תוצאות הניסוי היו הפוכות. אני מבינה שהתנהגות הכדורים הספוחים שונה בהשרייה בריכוזים גבוהים לעומת ריכוזים נמוכים. (שם ככל שהריכוז עולה אחוז השינוי במסה עולה אף הוא). אשמח להסבר הממצאים. בניסוי שני שעשו התלמידים הם השרו את הכדורים הספוחים בתמיסת נתרן כלורי בריכוז 0.75 מולר אך הפעם שינו את הטמפרטורה ומדדו שינוי במוליכות החשמלית של התמיסה. לא נראה שינוי במוליכות. מדוע? בתודה מראש,
תשובה מאת: פרופ' יכין כהן
   

 

להלן תשובתי:

לתשובה שלושה חלקים: הראשון מתייחס למבנה הכימי של הג'ל, השני לאופן שבו מולקולות מים ויונים (נתרן וכלור) יכולים לנוע מהתמיסה החיצונית לתוך הג'ל, והשלישי קושר את שני הראשונים להבנה של השפעת היונים על הלחץ האוסמוטי בג'ל ומכאן על מסת המים שספוחה בו (ועל משקל כדור הג'ל).

 

להידרוג'ל מהסוג שסופח הרבה מים ולכן מתנפח, יש מבנה של שרשרת פולימרית תלת ממדית. מידת הצילוב של השרשראות (מספר החיבורים ביניהן) קטן יחסית כך שהשרשראות יכולות להימתח כשמים נכנסים לתוך הרשת הזו (תפיחה). מה שמייחד את הרשת הפולימרית הוא שיש עליה מטענים חשמליים.  למשל הפולימר המשמש בהידרוג'ל שבחיתולים חד-פעמיים בנוי מפולימר  של סודיום אקרילט. כך השרשת היא פולימר של חומצה אקרילית מיוננת במטען שלילי: קבוצות קרבוקסיליות –COO(-)   ולידן יונים של נתרן Na(+) . אלו נקראים "יונים נגדיים" כי הם יכולים לנוע בתוך המים, אבל לא למרחק גדול יותר מידי (למשל לא "לעזוב" את הרשת, כי בסך הכל צריך לשמור על איזון חשמלי בג'ל – הרי בכל זאת יש משיכה מסוימת בין המטען השלילי על הרשת למטען החיובי על היון הנגדי.

לכן אפשר לדמות את מבנה הג'ל כרשת תלת ממדית עליה מטענים שליליים מלאה במים עם יונים חיוביים.

 

כשמכניסים ג'ל כזה למים ניטרליים הג'ל מתנפח כי נכנסים אליו הרבה מים. מדוע? היונים הנגדיים בתוך הג'ל (למשל Na+ בדוגמה הנ"ל) יוצרים לחץ אוסמוטי ה"מושך" מים מחוץ לג'ל אל תוכו. במילים אחרות, היונים "רוצים" למהול את עצמם בכמות גדולה של מים (כמו שמלח בישול מתמוסס בקלות בכוס מים). אבל הם אינם יכולים "לצאת" מהרשת של הג'ל ולכן הדרך היחידה "למהול" את היונים היא שמולקולות מים יכנסו פנימה לתוך הג'ל. במילים מדעיות: תפיחת הג'ל המביאה למיהול היונים בג'ל בהרבה מים מעלה את האנטרופיה שלהם, ולכן מורידה את האנרגיה החופשית של הג'ל.

מתי הג'ל מפסיק לתפוח? כאשר מתיחת השרשראות עקב התפיחה מעלה את האנרגיה בצורה שמאזנת את ירידת האנרגיה עקב מיהול היונים. זה נקרא מצב שיווי משקל של ג'ל המורכב מיונים (לפעמים נקרא ג'ל "טעון").

לגבי תנועת מולקולות: מולקולות מים יכולות לנוע חופשית לתוך הג'ל והחוצה ממנו. אבל לא היונים הנגדיים בג'ל וודאי לא היונים שקבועים על השרשרת הפולימרית של הג'ל. גם יונים של מלח המומסים בתמיסה מחוץ לג'ל ( Na+   Cl-) יכולים לנוע בחופשיות פנימה והחוצה מהג'ל.

 

עכשיו לשאלת הניסוי: כפי שהבנתי מהשאלה (אני מקווה שנכון), לאחר שהג'ל תפח במים ניטרליים, הוא הוכנס לתמיסת מלח. ככל שריכוז המלח בתמיסה היה גבוה יותר, כן הלך משקל הג'ל וירד – כלומר הג'ל התכווץ כי מים "עזבו" את הג'ל.

כשג'ל תפוח הוכנס לתמיסת מלח, היונים החופשיים בתמיסה יכולים לנוע ולהכנס לתוך הג'ל . ריכוז המלח (היונים החיוביים והשליליים) גדל בתוך הג'ל. ככל שיש יותר מלח בחוץ, כן גדל גם הריכוז בפנים,  ומשתווה בקרוב לזה שבתמיסה מחוץ לג'ל. במצב זה היתרון  של הגדלת כמות המים בג'ל, בכך שהיא מוהלת את היונים הנגדיים, נהיית פחות חשובה כי יש עוד הרבה יונים במים שבג'ל. לכן ה"חיסרון" שבמתיחת השרשראות של הפולימר בג'ל מורגש יותר והג'ל מתכווץ.

בריכוז מסוים (די גבוה) של מלח נוצר מצב שיווי משקל חדש, הדומה לג'ל שאין בו יונים (ג'ל ניטרלי).

 

מבחינת לחץ אוסמוטי, אפשר לומר שככל שריכוז המלח בתמיסה גדול, ונכנסים יותר יונים לתוך הג'ל, ההפרש בין הלחץ האוסמטי מחוץ לג'ל לזה שבתוכו נהיה קטן יותר, והכח המניע לכניסת מים לג'ל ולגרום לתפיחה נהיה קטן יותר.

 

נדמה לי שלפי השאלה, חישבת את הלחץ האוסמוטי לפי הנוסחה הנקבעת מריכוז המלח, והיא אכן עולה עם ריכוז המלח. אבל ההפרש בלחץ האוסמוטי בין התמיסה בחוץ לפנים הג'ל נהיה קטן יותר. וזה מה שקובע את מידת התפיחה של הג'ל ואת משקל הכדור בניסוי.

 

 

 

 

פרופ' יכין כהן
הנדסה כימית
הטכניון

 

הוסף תגובה הדפס שאלה      שלח לחבר      שאלות מועדפות