Lekce V / 09 - Bubliny

Cíl lekce:

Děti se dozvěděly, co znamená snížení povrchového napětí kapaliny, jak se projevuje a k čemu se dá využít. Názorně si také ukázaly pružnost mýdlové blanky a vysvětlili proč je bublina kulatá.

Zeptejte se Vašich dětí:

Co je to bublina?
Jaký má bublina tvar a proč?
Jak se využívá snížené povrchové napětí např. při mytí nádobí?
Co je uvnitř bubliny?
Kde v našem okolí najdeme pěnu?
Věděli byste příklad tuhé pěny?

Bubliny
Obrázek Pixabay

Kapalina (kapalná látka) je jedno ze skupenství látek, při kterém jsou částice látky relativně blízko u sebe, ale nejsou vázány v pevných polohách a mohou se pohybovat v celém objemu. Zároveň mezi částicemi působí vzájemné síly, které určují další vlastnosti kapaliny.

Základní vlastnosti kapalin:
● Jsou tekuté – dají se přelévat.
● Nemají stálý tvar - přizpůsobují se nádobě.
● Zachovávají si stálý objem – i při změně tvaru nádoby.
● Tvoří kapky – díky přitažlivým silám mezi částicemi.
● V klidu vytvářejí v tíhovém poli Země volný vodorovný povrch.
● Jsou prakticky nestlačitelné – díky vzájemným odpudivým silám mezi molekulami kapaliny.

Vlastnosti kapalin vyplývají z vlastností molekul. Pokud se nachází vybraná molekula uvnitř kapaliny, nachází se ve volném rovnovážném stavu. Pokud se ale vybraná molekula nachází v tenké vrstvičce hraničící s jiným prostředím, vede to ke vzniku vnitřního tlaku, povrchovému napětí a k tomu, že se povrch kapaliny chová jako pružná blána.

Obrázek: Kapka vody Obrázek drop-of-water-drip-blade-of-grass-361097 od Josch13 [Public Domain], via Pixabay

Povrchové napětí je efekt, při kterém se povrch kapalin chová jako elastická fólie a snaží se dosáhnout co možná nejhladšího stavu s minimální plochou. To znamená, že se povrch kapaliny snaží dosáhnout stavu s nejmenší energií. Čím větší je povrchové napětí, tím „kulatější“ je kapička této kapaliny.

Obrázek: Povrchové napětí Obrázek WassermoleküleInTröpfchen od User:Booyabazooka (Own work) [Public domain], via Wikimedia Commons

Povrch kapaliny se tedy chová tak, jako by byl tvořen velmi tenkou pružnou vrstvou, která se snaží stáhnout povrch kapaliny tak, aby měl při daném objemu kapaliny co nejmenší plochu. Pokud by na kapalinu nepůsobily vnější síly, měla by kulový tvar, protože koule má ze všech těles stejného objemu nejmenší povrch. Při působení vnějších sil je situace poněkud složitější. Vždy se však volný povrch kapaliny snaží snížit velikost celkového povrchu na co možná nejmenší možnou míru. To je důvod, proč je hladina klidné vody v otevřené nádobě (v gravitačním poli) vodorovná, neboť jakýkoli jiný tvar volné hladiny kapaliny by zvětšil celkový povrch kapaliny. Jsou-li vnější síly velmi malé, proti silám povrchového napětí, bude se kapalina snažit zaujmout přibližně kulový tvar. To se děje např. u drobných kapiček tvořících mlhu, u kapek rtuti apod. Povrchové napětí kapaliny závisí nejen na druhu kapaliny, ale také na prostředí, které se nachází nad jejím volným povrchem. S rostoucí teplotou se povrchové napětí kapaliny, vůči danému prostředí, snižuje. Od kritického bodu je rovno nule. Snížení povrchového napětí vody přidáním jiné látky (tzv. smáčedla) nebo zvýšením teploty vody se projevuje např. při praní prádla, mytí nádobí atd. Tímto způsobem „upravená“ voda se lépe dostává ke špíně, která lpí na tkaninách, nádobách atd. a špínu rychleji rozpouští a smývá ji.

Obrázek: Příklady využití povrchového napětí Obrázky Sur le Cher od Daniel Jolivet) [CC BY SA 2.0], via Flickr; 2006-01-15 coin on water retouched od Roger McLassus (Own work) [GFDL nebo CC-BY-SA-3.0], via Wikimedia Commons

Význam povrchového napětí. Povrchové napětí způsobuje, že některé druhy hmyzu (například vodoměrky) se mohou pohybovat po vodní hladině. Některé předměty, např. žiletky nebo kousek alobalu, lze položit na vodní hladinu, aniž by se potopily; když je ale potopíme dostatečně hluboko, klesnou až na dno.
Chození po vodě pro člověka není nereálné, jeho chodidla by musela mít okraj dlouhý 9,5 kilometru (vypočítáno pro 70 kg člověka) a to by ještě nesměl zvedat jednu nohu...

Smáčení - snížení povrchového napětí
Velké povrchové napětí ztěžuje proces smáčení. Například destilovaná voda smáčí látky obsažené v oblečení velmi špatně, perlí. Toto je jeden z důvodů, proč se při praní přidávají prací prostředky, které svými mýdlovými látkami (tenzidy) smáčení usnadňují.
Dalším příkladem je mytí mastných rukou. Mytí mastných rukou je obtížné, protože voda nesmáčí mastný povrch. Proto používáme mýdlo. V mýdlovém roztoku jsou síly mezi molekulami menší než síly mezi molekulami vody. Důsledkem je snížení povrchového napětí vody, což způsobí, že roztok smáčí mastný povrch. Při snížení povrchového napětí dojde k tomu, že vazby (síla spojení) mezi molekulami kapaliny se uvolní a nejsou tak silné.
Snížení povrchového napětí lze tedy docílit „smáčedly" (tenzidy, surfaktanty), tedy látkami snižujícími povrchové napětí. To jsou např. jar, mýdlo, nebo prací prostředky.

Bublina je plynové těleso obklopené kapalinou nebo pevnou látkou. Bublina je těleso ve tvaru koule, tj. tvaru s nejmenším možným povrchem.
Bublinu bublifuku nebo mýdlové vody, jak ji známe, tvoří např. tenká vrstvička molekul vody, kterou obklopují 2 vrstvy molekul mýdla (saponátu), tzv. "sendvičová" struktura. To vše obaluje určitou část vzduchu (plynu).
Blanka mýdlové bubliny je jedna z nejtenčích věcí, jaké můžeme pouhým okem pozorovat. Stěna mýdlové bubliny je totiž až 5 000x tenčí než vlas. I pavučinové vlákno je mnohokrát tlustší.
Na bublinách vznikají úžasné barvy, které se neustále mění a výsledná barva je kombinací všech odrazů světla.
Mýdlové bubliny jsou pomíjivý jev, svou strukturu totiž neumí udržet moc dlouho. Gravitace nutí tekutinu, aby se koncentrovala ve spodní části bubliny, její vrchní část je proto tenčí a tenčí - a čeká ji neodvratný konec. Každá bublina jednou praskne.

Díky sníženému povrchovému napětí lze mýdlové bubliny různě tvarovat nebo natahovat. Natahujeme-li mýdlovou blánu vytvořenou mezi dvěma koncentrickými kroužky do délky, začne vytvářet tvar tzv. katenoidy. Katenoida je rotační povrch tvaru dvojitého, úzkými konci spojeného trychtýře.

Obrázek: Katoneida. Mýdlové filmy, které studoval Joseph Plateau , jsou přirozeným řešením Plateauova problému .Via Creative Commons CC0 1.0 Universal Public Domain Dedication.

Pěna je látka, která je tvořena mnoha bublinami plynu v kapalině, nebo v pevné látce. Jedná se o disperzi plynu v jiné látce. Tvoří se probubláváním kapalin plynem nebo šleháním. Není stálá (záleží na stěnách mezi bublinami).
Různé druhy pěny se vyskytují i v přírodě (přírodní pěny). Důležitý význam má pěna v průmyslu, kde se využívá její výborné (tepelně i zvukově) izolační vlastnosti a nízké hustoty. Pro různé průmyslové účely byla vyvinuta řada tekutých i tuhých pěn.
Pěny v potravinářství - pěna má i estetický význam u některých druhů potravin (např. pivo, cappucino). Zpěněná smetana vytváří šlehačku, zpěněný slepičí bílek vytváří cukrářský sníh.
Pěny při úklidu a hygieně - Pěna se používá i v domácnostech např. při úklidu nečistot z textilních povrchů (matrace, sedačky, textilní potahy, koberce), dále také jako hygienická přísada do koupelí apod.

Tuhá pěna je typ koloidu. Od pěny se liší tím, že jde o plyn v pevné látce, ne v kapalině. Řadí se mezi heterogenní směsi. Mezi tuhé pěny patří pemza, aerogely, a pěnové plasty (např. polystyren).

Obrázek. Kousek polystyrenu. CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1041810

Ekologické škody
Ekologická katastrofa je definovaná jako situace, při níž dojde k narušení rovnováhy živého systému. To ohrožuje jak rostliny a živočichy, tak celý ekosystém a jeho fungování. K tomu může dojít jednorázovým extrémním zásahem (např. úniky ropy) nebo tzv. “plíživě“ – dlouhodobým působením stresorů, kdy se systém postupně (a pro nás často nečekaně) ocitá ve stádiu vyčerpání. Mezi tyto stresory patří mimo jiné i porušení povrchového napětí vody únikem tenzidů do vodního prostředí. Např. pokud umyjeme auto v rybníce za použití autošamponu, zrušíme povrchové napětí vody, uhynou živočichové využívající ke svému pohybu a životu právě povrchově aktivní blanku a stejně tak vodní živočichové budou mít omezený příjem potravy (v důsledku jejich částečného vyhynutí), rovněž se poruší průchod plynů (kyslíku) mezi vzduchem a vodou, což může mát vliv na dýchání vodních organizmů. Také tenzidy znečištěná voda se v těle živočichů chová jinak než voda čistá, což může způsobovat nejrůznější potíže uvnitř jejich organizmu.

Jak byste se asi tvářili, kdybyste místo vody museli pít mýdlový roztok. Vaše tělo by vám zvracením nebo průjmem dalo najevo, že tohle do těla rozhodně nepatří. Tak proč připravujeme podobné komplikace jiným živočichům…?

Ekologické katastrofy Obrázky Rio tinto river CarolStoker NASA Ames Research Center od Carol Stoker, NASA [Public domain, PD-NASA], via Wikimedia Commons; Deepwater Horizon Offshore Drilling Platform on Fire od Ideum - ideas + media [CC BY-SA 2.0]

Pokud vás téma zaujalo a chcete se dozvědět více:
http://cs.wikipedia.org/wiki/Kapalina
http://cs.wikipedia.org/wiki/Povrchov%C3%A9_nap%C4%9Bt%C3%AD
https://danatenzler.blog.idnes.cz/blog.aspx?c=699359