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
     הנדסת חשמל
     הנדסת מזון
     כימיה
     פרקינסון
     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
 
 
 > רשימת תפוצה
 
 > חתום בספר האורחים
 
 > כניסה לשואלים רשומים
 
 
 > English
 
שאלה מספר 8780 - כדורים סופחי מים תאריך: 3/3/2016
תחומי דעת:  כימיה  
אני עושה חקר במעבדת כימיה וביצעתי ניסוי בו שאלת החקר הייתה כיצד שינוי בטמפרטורה משפיע על השינוי במסת הכדורים סופחי המים? התוצאה שיצאה הייתה מנוגדת להשערתנו והיא שככל שהטמפרטורה נמוכה יותר השינוי במסת הכדורים גדול יותר, זאת אומרת הכדורים התנפחו יותר. שאלתי: מדוע כאשר שמים כדורי הידרוג'ל (כדורים סופחי מים) בטמפרטורה נמוכה הם סופחים יותר מים מאשר בטמפרטורה גבוהה?
תשובה מאת: פרופ' יכין כהן
   

בקצרה: התשובה היא שהאלסטיות של שרשראות הפולימר הבונות את ג'ל, כלומר ההתנגדות של השרשרת למתיחה, עולה ככל שהטמפרטורה עולה, ולכן הג'ל מתכווץ בחימום (או יכולת ספיחת המים יורדת כשמחממים את הג'ל). הדבר דומה לתופעה של התקצרות גומיה המחזיקה משקולת, כאשר מחממים אותה ( אתה יכול לנסות עם גומיה, משקולת ומייבש שער...). הסיבה לכך היא שכאשר מותחים שרשרת פולימר, יש לה פחות דרגות חופש, כלומר מספר קטן יותר של אפשרויות להסתדר במרחב כאשר הקצוות נמתחים ומתרחקים אחד מהשני. במושגים תרמודינמיים אומרים שהאנטרופיה של שרשרת הפולימר יורדת ככל שמותחים אותה. הטבע שואף לכוון הפוך- הגדלת האנטרופיה. התרומה של   השינוי השלילי באנטרופיה עקב המתיחה מוכפלת בטמפרטורה (האבסולוטית במעלות קלוין), ולכן חשיבותה עולה עם הטמפרטורה.

 

על מנת להבין תופעה זו בפירוט, רצוי להסביר קודם כמה פרטים כרקע על כדורי הידרוג'ל הסופח מים.

הידרוג'ל הינו רשת פולימרית המצולבת בצורה דלילה ( מעט צילובים בכל שרשרת כך ששרשראות הפולימר בין נקודות הצילוב הינם ארוכות במידה רבה). ההידרוג' מכיל כמות גדולה מאוד של מים.

אינני יודע מאיזה פולימר הכנתם את הג'ל בניסוי.

 מבחינה כימית הפולימר ממנו בנוי הג'ל יכול להיות ניטרלי (ללא מטען חשמלי), כמו ג'ל מפולי(אקריל אמיד), ואז חייבות להיות עליו קבוצות המסוגלות ליצור קשר מימני עם מולקולות מים ( כמו קבוצת אמיד). בד"כ הג'לים אשר סופחים את הכמות הגדולה ביותר ש מים יחסית למשקלם בנויים מפולימר הטעון חשמלית. הנפוץ ביותר ממנו מורכב החומר הסופח בחיתולים הינו פולי (סודיום אקרילט). במקרה זה הפולימר יכול להתפרק ליונם במים, כך שהשרשרת נשארת טעוני שלילית, עקב קבוצות COO- על השרשרת, ולידם יוני סודיום Na+. אני מניח שזה החומר בו השתמשתם.

באתר:    http://www.dynamicscience.com.au/tester/solutions1/chemistry/chemicaldemos/sodiumpoly.html

אפשר לראות "סרט" המראה שרשרת של פולימר זה מתפרק ליונים. יוני הסודיום עוזבים את השרשרת ואת מקומם תופסות מולקולות מים.

עכשיו אפשר לנתח את התרומות השונות לשינוי באנרגיה חופשית של ההידרוג'ל כאשר הוא סופח מים.

1)      כאמור לעיל ספיחת מים מקטינה את דרגות החופש של השרשראות עקב מתיחתן. ככל שמחממים החשיבות של שינוי שלילי זה באנטרופיה מודגשת יותר.

2)      ככל שהג'ל סופח יותר מים גדלה האנטרופיה של היונים החופשיים ( למשל יוני סודיום שהוזכרו קודם), שכן ליונים הכלואים בג'ל יש יותר דרגות חופש "להסתובב" בנפח המים שבתוך הג'ל, אשר גדל עם ספיחת יותר מים. ככל שמחממים, החשיבות של שינוי חיובי זה באנטרופיה מודגשת יותר.

3)      כאשר מולקולות מים יוצרות קשרי מימן עם קבוצות פומקציונליות בשרשרת הפולימר, למשל קבוצות אמיד או COO-  , בדר"כ משתחרר חום (תהליך אקדותרמי) ולכן עם העלאת טמפרוטה נמערכת תגיב לקלוט חום, כלומר לשחרור קשרי המימן ע:י הקטנת ספיחת המים.

תהליכים (1) ו- (3) גורמים להקטנת הספיחה עם העלאת טמפרטורה, בעוד שתהליך (2) פועל בכוון הפוך. האיזון הוא בכוון של הקטנת הספיחה.

 

פרופ' יכין כהן
הנדסה כימית
הטכניון

הוסף תגובה הדפס שאלה      שלח לחבר      שאלות מועדפות
שלח שאלה למומחה   |   שמור כדף הבית   |   הוסף למועדפים   |   תנאי שימוש באתר   |   Powered By Art-Up