基本概念
化学过程
水
流体
表面张力
引言
你有没有好奇过气泡是怎么形成的?形成气泡的秘密是表面张力。在水中加入肥皂(比如你在洗碗池中用来洗碗的那种)改变了水的表面张力,这给气泡的形成创造了非常好的条件。
如果你试图用普通的水来制造气泡,你很快会发现这不太可行。这是因为水的表面张力(把液体的分子维持在一起的力)太大了。当把洗衣粉加到水里的时候,洗衣粉降低了水的表面张力,所以气泡可以形成。如果加入其他的东西,比如玉米糖浆或甘油,用哪种配方改良后的气泡会更好呢?
背景
在装有水的容器中,微小的水分子相互吸引,这表示它们不断地互相拉扯。在水的表面,这些表面上的水分子被它们周围和下面的水分子所吸引。但是它们并不被上面的水分子吸引(因为那上面只有空气)。这就产生了所谓的表面张力。水表层的水分子不想远离吸引他们的其他水分子而向上移动。这使得普通的水有一个很高的表面张力。但是实际上,表面张力太大就无法形成大的气泡。
当在水中加入滑的洗洁精时,表面张力降低,因此可以形成气泡。洗洁精分子加大了水分子之间的距离,减小了那些分子相互作用的能力。也就是说洗洁精分子减小了水分子互相施加的拉力(或者说是吸引力),降低了溶液的表面张力。其他的物质,比如玉米糖浆或甘油,也可以加到洗洁精的水溶液中来制造出更好的气泡。
材料
三个大开口的杯子或广口瓶
一个量杯
可定量的勺子(做蛋糕要用到的那种就行)? 3杯蒸馏水(可以在超市里买到)
勺子
洗洁精
小瓶甘油(可以在杂货店或是药房买到)
玉米糖浆
三个清管刷(TB有售,或者可以直接买泡泡棒,实在没有可以用吸管)记号笔
计时器
准备
在三个杯子上分别标记“只有洗洁精”,“甘油”和“玉米糖浆”。
在三个杯子中各加入一杯蒸馏水。
在“只有洗洁精”的杯子中多加一汤匙水。
捏住清管器的中间,把它的一半弯成一个圆来制作一个清泡泡棒,末端缠绕一下以固定。用同样的方法再做两个泡泡棒,确保它们的直径都是一样的。
步骤
在三个杯子中各加入两汤匙洗洁精。用勺子混合每个杯子中的洗洁精。在你混合洗洁精的时候,你应该会看到小的气泡。你觉得为什么在每个溶液中都需要洗洁精呢?
在“甘油”杯子中加入一汤匙甘油。在“玉米糖浆”杯子中加入一汤匙玉米糖浆。甘油和玉米糖浆的粘稠度是多少?一种看起来比另外一种更有粘性(浓浓的并且粘粘的)吗,还是它们一样黏?搅拌“甘油”杯子和“玉米糖浆”杯子。
用一种溶液吹一个气泡(最好是室外,但是在厨房水槽上或其他可以允许有一点点粘的地方都可以)。试着用棒子捕捉气泡,测定气泡破裂前能在棒子上呆多久。这可能做起来有点难,所以你需要先练习一下。有另一个人帮你计时是非常有帮助的。
每种溶液吹四个泡泡,捕捉到它们然后记录下破裂的时间。计算出每个溶液气泡的平均寿命。为此,将每个类型气泡的记录时间分别相加,然后把每个总时间除以记录该气泡时间的次数(比如,如果“只有洗洁精”气泡的时间为5.1秒,4.5秒,5.2秒和5.7秒,那么平均时间为5.1秒)。哪种溶液产生的气泡有更强的生命力?哪种溶液产生的气泡寿命最短?你认为这是为什么?一些溶液产生的气泡比另一些大吗?
拓展:甘油或玉米糖浆在气泡溶液中的浓度如何影响气泡的寿命呢?你可以使用不同甘油或玉米糖浆含量的溶液再次尝试这个活动。加多少会不够,又是加多少会太多呢?你能做出一个气泡溶液,它产生的气泡能比初次活动中制造出来的气泡寿命更长久么?
拓展:气泡总是球形的吗?试着把清管器扭成不同的形状,比如星星、正方形或三角形。从这些不同形状的清管器棒中吹出来的气泡是什么形状的?
观察和结果
含有甘油或玉米糖浆的溶液产生的气泡寿命更长吗?含有甘油的溶液产生的气泡是最长寿的吗?
洗洁精降低了足够的水的表面张力,因此气泡可以形成。水和洗洁精溶液形成的气泡,中间层是水层,在这个球形的水层两侧是围绕着它的洗洁精层。部分洗洁精分子被水吸引(这表示它们是亲水性的),而其他的部分不愿靠近水(它们是疏水性的)。由于这个原因,气泡中的洗洁精分子变的定向,所以它们亲水的部分接触水而它们疏水的部分朝外,接触空气。
跟含有甘油或玉米糖浆的溶液相比,只有水和洗洁精的溶液可能会产生小一些,寿命短一些的气泡。当洗洁精分子层之间的水分子层蒸发的时候,气泡会爆炸。但是甘油和玉米糖浆与水分子形成弱键,减缓了蒸发过程,因此提高了气泡的寿命和耐久性。甘油产生更稳定且寿命更长的气泡,但是在气泡溶液中经常用玉米糖浆来代替,因为它比较便宜。你能在房间里找到可以加入水中制成气泡溶液的其他物质吗?如果你尝试像洗发露或洗手液这样的产品,你可以查看它们的成分来分析一下什么可能有助于气泡的形成。
(翻译 刘夏,审校 谢紫薇)