ים בתוך בקבוק

בניסוי הנוכחי ניצור מעין ים עם גלים, ואפילו נשיט עליהם סירה קטנה, בזכות התכונות של השמן והמים. 

ציוד

• בקבוק ריק
• מים
• שמן
• צבע מאכל
• אגוז פקאן (לא חובה)

הניסוי

את מהלך הניסוי אפשר לראות בסרטון:

טיפ: מומלץ להוסיף למים גם מלח בישול, זה משפר את ההפרדה בין המים לשמן.

בניסוי רואים שילוב של שלוש תופעות שונות: השמן צף על המים, השמן לא מתערבב במים והמים (ה"ים") שבבקבוק נעים הרבה יותר לאט מכרגיל. כיוון שכל תופעה נובעת מסיבה שונה, נסביר כל אחת בנפרד.

ציפה

בניסוי השתמשנו בבקבוק של 1.5 ליטר ומילאנו אותו בשליש מים בערך, כלומר כ-500 מ"ל מים, ובשני שליש שמן (כ-1000, מ"ל). אם היינו שוקלים את המים והשמן היינו רואים עובדה מעניינת: המים שהוספנו שוקלים 500 גרם, והשמן שהוספנו שוקל בערך 900 גרם. כלומר למרות שהשמן שהוספנו הרבה יותר כבד מהמים שהוספנו, הוא בכל זאת צף על המים – דווקא חומר ששוקל יותר - צף. זה בגלל שלא המשקל של חומרים, כלומר אם הם קלים או כבדים, קובע אם הם יצופו או ישקעו. מה שקובע אם חומרים יצופו או ישקעו הוא גודל אחר – הנקרא צפיפות או משקל סגולי, שזה היחס בין המשקל לנפח. עבור מים הצפיפות היא 1 גרם למ"ל, ואילו עבור השמן הצפיפות היא 0.9 גרם למ"ל.

חוק הציפה התגלה על ידי המדען היווני ארכימדס (לפני כ 2,200 שנה) – והוא קובע בפשטות שחומרים עם צפיפות נמוכה (לא משקל נמוך!) יצופו על פני חומרים עם צפיפות גבוהה ולהיפך. בגלל ששמן פחות צפוף ממים הוא תמיד יצוף על פניהם. לא משנה אם זו טיפת שמן על מרק או ליטר שלם של שמן על מעט מים בבקבוק.

בסוף הניסוי אנו מכניסים לבקבוק 'סירה' קטנה שבנוייה מחצי אגוז פקאן. אגוז הפקאן עשיר בשמן, והוא גם מכיל מים. מסיבה זו צפיפותו היא בין זו של השמן לזו של המים – לכן אגוז הפקאן 'מתמקם' בדיוק בגבול בין המים לשמן - ומשמש לנו סירה. אגב, אם האגוז לא שוקע אצלכם (זה קרה גם לי פעם) פשוט המתינו בסבלנות. האגוז כנראה יבש יחסית - תערבבו את הבקבוק מספר פעמים, ולמחרת בבוקר האגוז יספוג כבר מספיק מים ושמן וישקע למקום.

כמו שמן ומים

בעברית, כאשר רוצים לומר על שני דברים שהם 'שונים מאוד זה מזה' או 'לא מתערבבים' אומרים לעיתים כמטאפורה שהדברים הם 'כמו שמן ומים'. ואכן – מים ושמן לא מתערבבים. למעשה זה מה שמגדיר שמן כשמן - ההגדרה המדעית של שמן זה נוזל אורגני שלא מתמוסס במים.

אבל מדוע באמת שמן ומים לא מתמוססים זה בזה? כדי לענות על השאלה חייבים להבין מה בעצם זה אומר ששני חומרים מתמוססים זה בזה. כל החומרים בעולם בנויים מחלקיקים קטנטנים, כמו מולקולות, אטומים או יונים. כאשר שני חומרים נמסים אחד בשני 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 ואן 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 הצבע המאכל הכחול שמסיס במים – לא מתמוסס ולא צובע כלל את השמן. להרחבה על נושא המסיסות ראו כתבה על כלל המסיסות הכימי.

הילוך איטי

כאשר מטים את הבקבוק מעלה ומטה, ה'ים' שבבקבוק נע, אבל באיטיות רבה, מה שמעניק לניסוי את המראה היפה כל כך שלו. נראה כאילו אנו מסתכלים על סרט של גלי ים שמוקרן בהילוך איטי. ומה מאט את גלי המים? השמן. כאשר בקבוק מים רגיל מלא רק בחלקו ואנו מטים את הבקבוק המים נעים במהירות יחסית – שאנו רגילים אליה. חשוב לזכור כי בקבוק שמלא רק בחלקו איננו 'חצי ריק' באמת, הוא מלא בחציו באוויר, וכאשר אנו הופכים את הבקבוק מצד אחד המים זורמים לחלק התחתון, ובו זמנית האוויר שבבקבוק זורם לחלק העליון. האוויר הוא חומר מאוד דליל, קלוש, ולא מפריע לזרימת המים. לעומת זאת – שמן הוא חומר סמיך, ולכן כאשר מטים את הבקבוק הוא מפריע לזרימת המים. כדי שמים יזרמו השמן חייב לפנות להם את המקום, ובגלל שפינוי המקום נעשה באיטיות אז כל 'גלי הים' שבבקבוק זורמים להם כל כך לאט.