איך להוריד גשם צבעוני בכוס?

בניסוי הזה נוריד בתוך כוס משהו שנראה כמו גשם קסום, היורד באיטיות ובצבעים מרהיבים.

ציוד

• 2 כוסות
• צבעי מאכל - איזה צבעים שאוהבים
• מים
• שמן
• מזלג

מהלך הניסוי

את מהלך הניסוי אפשר לראות בסרטון:

הניסוי משלב גם גם תופעה הקשורה לכימיה (מסיסות, או, יותר נכון אי-מסיסות של צבעי המאכל בשמן) וגם תופעה הקשורה לתחום הפיזיקה (צפיפות וציפה/שקיעה של מים ושמן). נסביר את שתי התופעות כדי להבין את הניסוי.

מים ושמן לא מתמוססים

בשלב הראשון רואים כי כאשר מוסיפים טיפות של צבע מאכל לתוך כוס השמן, הצבע לא מתמוסס בשמן. הוא נשאר כטיפות, ואפילו כשמערבבים השמן לא באמת נצבע: טיפות הצבע 'נשברות' לטיפות קטנות יותר בגלל הערבוב, אבל עדיין לא מתמוססות בשמן ונשארות מופרדות בתוכו. זה בגלל שצבעי המאכל מבוססים על מים, ומים ושמן פשוט לא מתמוססים זה בזה.

מדוע זה כך? כדי לענות על השאלה חייבים להבין מה זה אומר ששני חומרים מתמוססים זה בזה. כל החומרים בעולם בנויים מחלקיקים קטנטנים: מולקולות, אטומים או יונים. כאשר חומרים מתמוססים זה אומר שהחלקיקים שלהם בעצם מתערבבים אחד בשני. כשמדובר בחומרים נוזלים או מוצקים, בין החלקיקים המרכיבים אותם קיימים כוחות משיכה חזקים, ששומרים יחד את כל החלקיקים ויוצרים 'גוש' של חומר או טיפה של נוזל, אם לא היו כוחות כאלו חזקים אז החלקיקים לא היו נשארים יחד – והיו למעשה גז.

לכן כדי ששני חומרים יתמוססו זה בזה ויתערבבו זה בזה ברמה החלקיקית, צריכים להיפתח הקשרים שמחזיקים יחד את החלקיקים של כל חומר, ולאפשר לחלקיקים של החומר השני להיכנס וליצור קשרים חדשים. סוג הקשרים שמולקולות יכולות ליצור אלו עם אלו קשור למבנה הכימי הספציפי של כל מולקולה. בין מולקולות המים קיימים כוחות משיכה מאוד חזקים (בשפת הכימאים נקראים קשרי מימן). בגלל שלשמן מבנה כימי אחר, בין מולקולות השמן פועלים רק כוחות חלשים הרבה יותר (בשפת הכימיה הם נקראים קשרי ון דר ואלס). ולכן מולקולות שמן לא יכולות להיכנס בין מולקולות של מים – הן פשוט לא מסוגלות 'לשבור' את הקשרים החזקים שבין מולקולות המים, ולא מסוגלות ליצור איתן קשר חזק כמו שהמים יוצרים עם עצמם, ולכן שמן ומים לא מסיסים זה בזה. אגב – לרוב חומרים שיתמוססו בשמן לא יתמוססו במים וההפך, וגם בניסוי הזה רואים כי חומרי הצבע עצמם שנמצאים בתוך צבע המאכל (אדום, כחול וירוק) שמסיסים במים – לא מתמוססים ולא צובעים כלל את השמן. להרחבה על נושא המסיסות ראו כתבה על כלל המסיסות הכימי.

צף ושוקע

כאשר שפכנו את הצבע לתוך השמן – טיפות הצבע שקעו בתוכו, וכאשר שפכנו את השמן על המים – השמן מיד צף על פני כוס המים, ואילו טיפות הצבע שבתוכו המשיכו לשקוע בתוך השמן, ואף 'לטפטף' ולשקוע הלאה בתוך חצי כוס המים – כמו גשם צבעוני.

מה שקובע אם חומרים יצופו או ישקעו אחד בשני, הוא גודל הנקרא צפיפות או משקל סגולי, שזה היחס בין המשקל לנפח. עבור מים הצפיפות היא 1 גרם למ"ל (1000 מ"ל מים שוקלים 1000 גרם), ואילו עבור השמן הצפיפות היא כ-0.9 גרם למ"ל (1000 מ"ל שמן שוקלים כ-900 גרם).

חוק הציפה התגלה על ידי המדען היווני ארכימדס (לפני כ 2,200 שנה) – והוא קובע בפשטות כי חומרים עם צפיפות נמוכה יצופו על פני חומרים עם צפיפות גבוהה ולהיפך. בגלל ששמן פחות צפוף ממים הוא תמיד יצוף על פניהם. בגלל שמים צפופים משמן – הם תמיד ישקעו בתוכו. לא משנה אם זו טיפה קטנה וקלה או כוס שלמה כי לא המשקל קובע אלא הצפיפות שזה יחס קבוע של משקל לנפח שנשאר קבוע לכל חומר.

טיפות צבע המאכל גם צפופות יותר ממים נקיים – בגלל שמומסים בהם חומרים שמעלים להם הצפיפות, ולכן אחרי שהטיפות עוברות מהשמן אל המים הן ממשיכות לשקוע ו'לטפטף' הלאה, מה שנותן לנו את המראה היפה של הגשם הצבעוני בתוך הכוס.