Demonstration
Visa ytspänning och intermolekylära krafter

Om demonstrationen
Enkel men behöver träning. Tillsätt mera aceton

Tid
5 min

Intermolekylära krafter och skillnader i ytspänningen kan leda till synliga molekylära rörelser i vätskor. Molekyler i vätska med låg ytspänning rör sig mot vätska med hög ytspänning. Exempel på dessa fenomen studeras ibland vid vinprovningar. Genom en hastig, svepande rörelse av glaset och dess innehåll, kan man studera viskositeten som är beroende av vinets frukt- och alkoholinnehåll. I vinprovarkretsar pratar man om ”tears of wine” eller den svenska versionen ”vinets gardiner” (eller ben). Rörelser i vätskor kan lätt visas med hjälp av en Maragoni-lösning, färgämne, urglas och overheadapparat. De självarrangerande vätskorna förklaras med den s.k. Maragonieffekten.

Teori
Den som först uppmärksammade fenomenet ”tears of wine” var fysikern James Thomson. Men förklaringen till fenomenet publicerades av den italienska fysikern Carlo Marangoni år 1865, därav ”Marangonieffekten”.

Till vätskor räknas flytande ämnen eller en lösning av ämnen. Vanligtvis säger man att vätskorna saknar struktur (flytande kristaller undantagna). Studeras enstaka atomer/molekyler i lösningen finns där en viss ordning, en ordning som saknas på längre avstånd, Bristen på långväga ordning kan man se som en förklaring till varför vätskors form bestäms av kärlet vätskan förvaras i. Atomerna/molekylerna i vätskan hålls samman av krafterna mellan dem, ”intermolekylära krafter”.

Vid gränsytan mellan två faser (se bild) binder molekylerna vid ytan till färre antal molekyler än de i vätskans inre. Molekylerna vid ytan har därför högre energi än de i vätskans inre. Den s.k. ytenergin definieras per ytenhet (SI-enhet J/m2 ) men kan även tolkas som en spänning (kraft per längdenhet, N/m), ytspänning. Ytspänningens styrka bestäms av de intermolekylära krafterna. Ju starkare krafter det är mellan molekylerna i en vätska, desto högre ytspänning. Vätskor strävar efter att minimera ytan vid gränsskiktet, därför formar sig ”fri” vätska till sfärisk form (droppar).

I en blandning bestående av två eller fler blandbara vätskor finns skikt där ytspänningen varierar mellan vätskorna. Variationen i ytspänning kan påverkas än mer genom att fukta kärlets kanter, dvs. öka gränsytan mellan vätska och luft, se till att vätskan kommer i kontakt med kanterna och molekylerna med svagast intermolekylära krafter avdunstar. Det blir koncentrationsskillnader i vätskan, olika ytspänning, molekylerna i vätska med låg ytspänning vandrar mot vätska med hög ytspänning, Marangonieffekten.

En Maragonilösning kan bestå av tre vätskor med olika ytspänning, men de ska vara blandbara med varandra, t.ex. vatten, glycerol och aceton (72, 62 respektive 23,5 mN/m).

Genomför demonstrationen på nästa sida, vilka intermolekylära krafter ger upphov till skillnaderna i ytspänning där?

Utförande

  1. Gör en Marangoni-lösning genom att blanda: 20 cm3 torr aceton, 10,0 cm3 vatten och 20,0 cm3 glycerol (använd en spruta för att mäta upp glycerolen)
  2. Dela lösningen i tre delar och tillsätt en knivsudd färgämne till varje del. Välj olika färger för att få maximal effekt och inte för mycket. Ljuset från overheadapparaten måste kunna tränga igenom färglösningarna.
  3. Förvara färglösningarna i flaskor med skruvlock för att inte lösningarna ska dunsta.
  4. Rengör urglas från olja och diskmedel. Tvätta med 0,1 M NaOH i 1:1 metanol:vatten. Skölj med avjoniserat vatten.
  5. Rita blomsterstjälkar på en overheadfilm och ställ tre urglas (10 cm i diameter) där blommorna ska vara.
  6. Droppa ca 2 cm3 av en Marangonilöning i en stor cirkel i urglaset. Lösningen får rinna mot centrum. Hela glaset måste blötas med lösningen för att blommorna ska bildas.
  7. Droppa eventuellt på en ny lösning. Tillsätt i mitten på urglaset eller på runt ytterkanten.
  8. Lösningar som innehåller mindre aceton men mer vatten-glycerol samlas på kanterna och flyter tillbaka och bildar på så sätt blommans kronblad.
  9. Om inte blomman utvecklas eller avstannar kan några droppar aceton tillsättas.
Färg Färgämne
Röd Neutralrött
Orange Alizarin Gul, Neutralrött
Gul Alizarin Gul
Bromkresolgrönt
Blå Indigo Carmin
Purpor Metylviolett

 

Alternativ
Demonstrationen fungerar även med 2:1 v/v aceton-vatten eller 1:1v/v alkohol-vatten. Men dessa lösningar utvecklas långsammare än aceton-glycerol-vattenlösningen och mindre effektiva.

Risker vid experimentet
Aceton och etanol är brännbart. Använd skyddsglasögon och personlig skyddsutrustning. En riskbedömning ges av undervisande lärare.

Riskbedömningsunderla
Aceton Brännbart, utropstecken, Fara, H 225, H319, H336, EUH066 och P 210, P240, P261, P280, P305+351+338
Etanol Brännbart, Fara H225 och P233, P240, P241, P242, P243, P280
Glycerol Ingen märkning
Alizarin gul Utropstecken, Varning, H302, H319 och P280, P301+312, P305+351+338
Indigokarmin, Frätande, Fara, H302, H314 och P260, P264, P280, P405
Neutralrött ej märkespliktigt
Metylviolett Hälsoskadligt R 22
Bromkresolgrönt Frätande, Fara, H315, H318 och P264, P280

Idén kommer från Journal Chemical Education Vol 86 No. 7 July 2009 s. 833-836