3. Ani kvapka nazmar! vzorové riešenie

Postup:

Ako zmerať objem vody, ktorá prečnieva nad okraj pohára? Dá sa to viacerými spôsobmi.

Vieme “od oka” odhadnúť, kde je okraj pohára a naliať vodu do výšky tohto okraja. Potom nám stačí dokvapkať vodu z mernej pipety, dokiaľ sa nezačne voda z pohára vylievať. Objem prebytočnej vody je ten objem, ktorý sme vykvapkali z pipety.

Vieme odhadnúť, kde je okraj pohára, o niečo presnejšie?

Najskôr pomaly naplníme pohár, až kým z neho nezačne voda kvapkať von, a potom odstránime prečnievajúcu vrstvu vody. Odstrániť ju môžeme tak, že na pohár zvrchu pomaly položíme rovné teleso, ako je napríklad plastová kuchynská doska. Tým sa z pohára vytlačí všetka voda, ktorá prečnieva cez okraj.

Potom ešte treba opatrne utrieť okraj pohára, keďže je možné, že pri dokvapkávaní z pipety vplyvom mokrého okraja začne voda odtekať skôr ako pri suchom okraji (toto spôsobuje kohézia vody - voda na okraji priťahuje vodu prečnievajúcu z pohára k sebe, čo jej umožňuje ľahšie odtekať¹).

Takže vieme si takto naplniť pohár presne po jeho okraj, a potom dokvapkať vodu pipetou, ako bolo spomenuté vyššie. Ak nemáme pipetu, použijeme najvhodnejšiu inú odmerku alebo malé telieska, ktoré nahádžeme dnu a po vytiahnutí zmeráme ich objem tak, že ich vložíme do odmerného valca s vodou.

Iný postup by mohol vyzerať takto: naplníme pohár až po jeho maximálnu kapacitu, a potom prečnievajúcu vodu vytlačíme preč, pričom ju ale zachytíme do zbernej nádoby. Zo zbernej nádoby ju potom prelejeme do vhodne veľkej odmerky a zistíme jej objem. Tu existuje jeden väčší problém - ako vieme, keď vylejeme vodu z nádoby, menšie množstvo vie stále ostať v nádobe, lebo priľne k povrchu nádoby, a tak odolá gravitačnej sile. Teda nameriame menej vody, ako sme jej zo šálky vytlačili. Nevieme ani úplne rozumne vypočítať, koľko vody ostalo v zbernej nádobe, nakoľko k priľnavosti môže dôjsť na celom povrchu zbernej nádoby a vie sa vytvoriť veľa oddelených mláčok vody, ktorých objem nevieme odhadnúť.

Autor vzoráku najskôr vyskúšal druhý postup, no po tom, čo bol upozornený na jeho nedostatky, si vybral ten prvý a meranie vykonal ešte raz.

Výsledky:

Tvar šálky: klasický valec s plochým dnom, nič nezvyčajné.

Rozmery šálky: výška \(\SI{9.5}{\centi\metre}\), priemer \(\SI{8}{\centi\metre}\); Objem = \(\SI{477}{\milli\litre}\).

Koľko saponátu: \(1\) čajová lyžička

Analýza výsledkov:

Ako vidíme, jarová voda vytvorila o približne tretinu menší “kopček” na pohári ako čistá voda. Prečo vôbec takýto “kopček” vzniká? Dôvodom sú vodíkové mostíky v molekule vody. Tým, že väzba medzi kyslíkom a vodíkmi je polárna (elektrón sa viac prikláňa k jednému atómu, ako k druhému), teda máme kladne nabité vodíky a záporne nabité kyslíky. Medzi vodíkmi a kyslíkmi rôznych molekúl vody potom vzniká príťažlivá sila, a teda väčšie množstvá takýchto látok zvyknú do nejakej miery držať pohromade. Tento jav sa volá kohézia. Kohézia spôsobuje aj to, že malé množstvo vody vie prečnievať cez okraj doplna naplneného pohára a nevyliať sa.

Čo teda spôsobuje, že kohézia je slabšia, keď je vo vode saponát? Saponát funguje tak, že jeden koniec jeho komplikovanej molekuly je hydrofóbny – odpudzuje sa s molekulami vody a viaže sa s molekulami mastnoty (tukov). Druhý koniec je hydrofilný – viaže sa s vodou a spôsobuje, že mastnota je strhnutá z čisteného povrchu a odplavená vodou.

Keď nalejeme saponát do vody, hydrofilné konce molekúl sa naviažu na molekuly vody, no hydrofóbne konce sa s vodou odpudzujú. Vrámci vody prečnievajúcej z pohára sa toto prejaví tak, že táto odpudivá sila pôsobí protí kohéznej sile, a teda je kohézia slabšia. Prečnievajúcej vody teda musí byť menej, pretože sa ľahšie roztečie.