בניסוי הזה נבדוק מה בדיוק סופג את הנוזלים בתוך חיתולים חד-פעמיים, וכמה מהר זה נעשה.

ציוד

  • חיתול חד-פעמי מחבילה חדשה, לא משנה מי היצרן. בחיתולים סופגים יותר, יש יותר חומר פעיל
  • 2 כוסות
  • מספריים
  • מים
  • צלחת
  • צנצנת
  • כפית

מהלך הניסוי

את מהלך הניסוי אפשר לראות בסרטון הבא:

הערה: בחיתולים מחבילה ישנה, הרבה פעמים לחות שנספגת מהאוויר אל החיתול גורמת לגרגירי החומר הפעיל להדבק לשאר חומרי החיתול - ולקושי להוציא אותם החוצה, ולכן מומלץ להשתמש בחבילה חדשה של חיתולים לצורך הניסוי.

 

הסבר

כשהמציאו את החיתולים החד-פעמיים הכימאים חיפשו חומר שלא רק יספוג את המים כמו שעשה בד הכותנה הרגיל שבו השתמשו עד אז, אלא ממש יוציא אותם מהמערכת, כלומר – יגרום להם לא להיות נוזליים. אחרי מחקר ארוך המציאה בשנת 1966 קבוצת חוקרים בראשות רוברט נילס באשוו את החומר שנמצא בחיתולים, שנקרא בשם הכימי "סודיום פוליאקרילט" (Sodium Polyacrylate).

מבחינה כימית מדובר בפולימר – כלומר מולקולה ענקית שמורכבת מהרבה (פולי) יחידות (מר) שחוזרות על עצמן שוב ושוב ושוב בשרשרת ענקית.

המבנה הבסיסי של הפולימר סופג המים הוא:

האות n הקטנה שנמצאת מצד ימין למטה בציור, מסמלת בשפת הכימאים שהיחידה חוזרת הרבה פעמים בחומר, הנה לדוגמה מבנה שבו היחידה חוזרת ארבע פעמים:

במציאות, היחידה חוזרת על עצמה עשרות אלפי פעמים – במעין שרשרת ענקית, ויש גם קשר בין שרשרת אחת לחברתה – במה שנקרא 'קשרי הצלבה'.

מה שמייחד את החומר הזה וגורם לו להיות סופג מים טוב ומהיר, זאת הקבוצה שמחוברת לשרשרת המרכזית, שמכילה "חומר יוני" – כלומר חומר שמורכב מאטומים שנוספו להם או נגרעו מהם אלקטרונים (בעלי מטען חשמלי שלילי) ויש להם מטען חשמלי, בציור הכימי היונים מסומנים כ-Na+ ו-O-.

כיוון שהמים בעצמם הם חומר מקוטב מאוד מבחינה חשמלית, כלומר יש במולקולה של מים קוטב חשמלי קבוע של פלוס ומינוס (ולכן אפשר להזיז זרם מים באמצעות חשמל סטטי, כפי שאפשר לראות בניסוי שבקישור) – הם נמשכים חזק מאוד לקטבים החשמליים שבפולימר, נכנסים בין השרשראות שלו, "נדבקים" לקבוצות הטעונות חשמל (מטענים חשמליים מנוגדים נמשכים זה לזה, כלומר פלוס נמשך למינוס), ומנפחים את הפולימר (מרחיקים את השרשראות שלו זו מזו). האיור הבא מדגים את התהליך:

בחלק העליון מוצגות שתי שרשראות של הפולימר היבש, כשהקבוצות שמחוברות לשרשרת המרכזית ומכילות יונים מסומנות בעיגול אדום. כשמוסיפים מים – (עיגולים בצבע תכלת) – המים נמשכים, מתרכזים סביב הקבוצות היוניות, מנפחים את הפולימר, ונכלאים בתוך השרשראות שלו.

סודיום פוליאקרילט יכול לספוג מים עד פי 300-200 ממשקלו ומנפחו, ויוצר במהלך הספיגה ג'ל מוצק. למעשה, הספיגה יעילה יחסית אפילו בכמות מים גדולה פי אלף, אם כי אז הג'ל ייצא נוזלי יחסית. הוא נמצא כיום בשימוש במוצרים רבים שדורשים ספיגה מהירה של מים, כגון חיתולים ותחבושות היגייניות, וגם משמש בתעשייה לצורך ספיגה מהירה של שפכים, לפעלולים (כמעין חומר דמוי שלג) ולמוצרים ביתיים אחרים כמו עציצים עם ג'ל שקוף במקום אדמה.

מעניין לציין

הרבה פולימרים הופכים לג'ל כשהם סופגים מים. כך לדוגמה עושה העמילן (קורנפלור), שממנו מכינים דייסות ומאכלים שונים. קראו עוד על המנגנון שבו עמילן הופך לג'ל – התהליך דומה לפולימר שבחיתולים, אבל אטי יותר ודורש חימום, כי בעמילן אין קבוצות יוניות שמושכות מים בעוצמה חזקה כמו בסודיום פוליאקרילט.

13 תגובות

  • מיכל

    ההבדל בין ספיחה לספיגה

    שלום,
    רציתי לשאול:
    1. האם התגובה בין הסודיום פוליאקרילט לבין המים הוא כימי?
    2. מה ההבדל בין ספיחה לספיגה?
    3. כדורי הג'ל (סיליקה ג'ל) שבאים במגע עם מים. האם מדובר בתהליך כימי או פיזיקלי? תודה רבה! מיכל

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    עולם התהליכים לא באמת מתחלק בחדות ל-2

    שלום מיכל
    תשובות לשאלותיך
    1. לפי המוסכמה של חומר הלימוד במדעים בבתי הספר בישראל - תהליך פיזיקאלי הוא תהליך שלא נוצר בו חומר חדש, ותהליך כימי הוא תהליך שנוצר בו חומר חדש, עם תכונות חדשות. לא נוצר כאן חומר חדש – אפשר להגיד שזה פיזיקלי. לפי מוסכמה אחרת (שהיא מקובלת מאוד גם כן) – תהליך כימי הוא תהליך שבו נשברים או נוצרים קשרים כימיים. בתהליך העובר על החומר בחיתול בהחלט נוצרים ונשברים קשרים, למשל נשבר קשר יוני – בין יוני הנתרן לשאר חלקי הפולימר – ובין שרשרת פולימר אחת לשנייה ונוצרים קשרי משיכה חשמליים בין המים לשרשראות. ולכן לפי מוסכמה זו, כל תהליך של 'התמוססות', שהתהליך שמתרחש בחיתול שלב שלה, היא כן תהליך כימי. בנוסף – האם באמת אפשר להגיד שלא נוצר חומר עם תכונות חדשות? החומר מוצא הוא גרגירים גבישיים מוצקים – והתוצר הוא ג'ל רך בעל נפח גדול –אם זה לא חומר עם תכונות חדשות אני לא יודע מה זה כבר תכונות חדשות...
    צריך לזכור שהטבע *לא באמת מתנהל בקטגוריות נפרדות*, הוא פשוט 'מתנהל' ברצף – והקיטלוג הוא שלנו (בני האדם) – ואז גם נוצרות בעיות הגדרה מבחינתנו, במקרים גבוליים או מקרי אמצע.
    אני לא יודע אם את תלמידה או מורה למדעים – (ואם את תלמידה – לא בטוח שהמורה שלך תאהב את התשובה הכפולה), אבל אני מרשה לך לצטט אותי בשמי כרפרנס.
    2. ההבדל הוא זעיר – ספיחה (Adsorption) – תהליך שבו מולקולות / חלקיקי חומר אחד, נצמדים לפני השטח של חומר אחר.
    פחם פעיל הוא דוגמה לחומר שסופח חומרים אחרים – להרחבה על פחם פעיל ראי כאן:
    https://davidson.weizmann.ac.il/online/scienceathome/chemistry/%D7%90%D7...
    ספיגה (Absorption) – תהליך שבו מולקולות / חלקיקי חומר אחד נצמדים ונכנסים לכל נפח / לעומק החומר השני (ולא רק לפני השטח שלו).
    לפי הגדרה זו, הפולימר של החיתולים הוא חומר סופג.
    באנגלית מקובל המונח – sorption (אין מונח מקביל בעברית) – לתיאור שני התהליכים.
    אגב – התבוננות בתהליך בעין, ללא חקר מדעי מעמיק לא יכולה לגלות אם חומר נספג או נספח לחומר אחר.
    3. ראי תשובתי לשאלה 1.
    בברכה
    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע

  • מיכל

    תודה רבה!

    תודה רבה! מיכל

  • יניר

    מה עושים כאשר...

    שלום,
    מה עושים כאשר רוצים להשתמש בטכנולוגיה זאת האופן חוזר?
    האם קיימת אפשרות להשתמש בו יותר מפעם אחת? או אולי לקשור אותו בסיבי בד כדי להגדיל את יכולת הספיגה של הבד?
    אני סטודנט לעיצוב תעשייתי אני מעצב פרויקט שמטרתו ספיגת זיעה, אולי תוכל לקשר אותי לעוד מידע בנושא?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    שימוש חוזר בפולימר

    היי יניר
    שימוש חוזר בפולימר הוא אפשרי – אם תשים את הג'ל באוויר הפתוח, תוך זמן קצר (בערך יום-יומיים, תלוי בטמפרטורה וביובש האוויר), המים יתאדו ממנו והוא יחזור להיות גרגירים קטנים יבשים – שיכולים לחזור שוב ולספוח מים, וחוזר חלילה.
    לי אישית לא ידוע על שימוש בבגדים – אבל אולי אני פשוט לא מכיר.
    אם אתה רוצה עוד מידע בנושא – עליך לעבור לאנגלית, חפש sodium polyacrylate בגוגל, ממליץ להתחיל מהערך בויקיפדיה האנגלית בנושא –
    https://en.wikipedia.org/wiki/Sodium_polyacrylate
    ומשם ללכת לקישורים על השימושים השונים.
    בהצלחה
    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע

  • שיר

    סודיום פוליאקרילט בתעשיית התרופות

    שלום וברכה, ראיתי ברשת שימוש עם החומר גם בתעשיית הקוסמטיקה, האם ידוע שימוש של הפולימר הזה בתעשיית התרופות? האם ניתן לשלוח לך מייל?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    שימושים רבים

    היי שיר
    לסודיום פוליאקרילט שימושים רבים בתעשיות רבות, בנוסף לשימושו כחומר סופג בחיתולים הוא משמש כתוסף לחומרי ניקוי (כחומר מרכך מים), כחומר מסמיך (למשל ג'לים לשיער) לקוסמטיקה, לציפויים, כשלג מלאכותי, כמצע לגידול צמחים, אריזות ג'ל לקירור, חומר סיכוך ועוד. מצאתי גם בקשות לפטנט בהן משמש בתעשיית התרופות, ראי כאן - https://www.google.ch/patents/CA1232203A?cl=en&hl=de
    וכאן מצויין שמוסף כחומר לא פעיל בתעשיית התרופות - http://www.sdk.co.jp/english/products/110/115/2035.html
    בברכה
    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע

  • שבא

    שאלה לגבי ספיגה בחיתולים

    שלום רב! אנו תלמידות כיתה ט. היינו רוצות לדעת האם חיתול סופג שתן בשל כמות החומר הסופח שיש בו או בשל סוג החומר הסופח (מס' השרשראות הצדדיות שיש בו).
    תודה מראש,
    שבא, תמר, זוהר ואיה

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    ספיגה בחיתולים

    שלום שבא והשאר
    כפי שהראיתי בכתבה ובסרטון – היכולת של חיתול מודרני לספוג שתן (ומים באופן כללי) ולהפוך אותו לג'ל זה בזכות העובדה שיש בו חומר סופג: סודיום פולי אקרילט. זה הפולימר בכל החיתולים בשוק.
    אם אתן מתכוונות בשאלתכן – מה הופך חיתול לסופג טוב יותר / כמות גדולה יותר? אז זה כמות החומר הסופג שבחיתול. יצרני החיתולים לרוב הם לא יצרני הפולימר הסופג, אלא חברות כימיקלים, ולא אתפלא אם רוב (כול?) חברות החיתולים קונות מאותו יצרן כימיקלים (או מספר יצרנים מצומצם) את הפולימר הפעיל.
    בוודאי שיכולים להיות הבדלים בספיגה בין פולימרים מיצרנים שונים – אבל לרוב מוצר תעשייתי מוגמר מגיע לאיזה סטנדרד, כך שההבדלים בין יצרני פולימרים הם זניחים – מי שייצר פולימר נחות, לא יקנו ממנו.
    אם אתן רוצות – אתן יכולות לעשות עבודת חקר בנושא: לבודד את הגרגירים עצמם משני חיתולים שונים, ולראות האם יש שוני בין ספיגת הגרגירים...
    בברכה
    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע

  • איל

    האם קיים קשר בין דרך הספיחה

    האם קיים קשר בין דרך הספיחה של מלח לבין דרך הספיחה של החומר הנ"ל?
    תודה

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    קיים

    שלום איל
    קיים קשר בין דרך הספיחה של מלח לבין הספיחה של החומר שבחיתולים. בשני המקרים ה'כוח המניע' של הספיחה של המים הוא יצירת קשרים בין יונים (חלקיקים טעונים במטען חשמלי) לבין המים. מכונה סולבציה. נוצר בעצם עקב משיכה חשמלית בין היונים לבין המים שהיא מולקולה מקוטבת מבחינה חשמלית. השוני הוא שכאשר מים נספחים על גבי מלח – הם מפוררים את המבנה הגבישי שלו ובסוף הוא נמס, ואילו במקרה של סודיום פוליאקרילט – המים נלכדים בין שרשראות הפולימור, ונוצר ג'ל – ולא תמיסה.
    בברכה
    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע

  • יונתן

    שאלות

    יש לי מספר שאלות ואני אשמח אם תוכל לענות לי עליהן.
    1)האם הסודיום פוליאקרילט רעיל, לבעלי חיים בני אדם או צמחים?
    2)האם ה סודיום פוליאקרילט מתכלה ?
    3)האם הוא דליק ?
    4)היכן ניתן לשמור את החומר ?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    MSDS

    שלום יונתן,
    לכל חומר שמיוצר בתעשייה הכימית ומוצע למכירה חייב להתלוות דף מידע המכונה MSDS או SDS – ראשי תיבות של: material safety data sheet או safety data sheet, המכיל מידע על רעילות, דליקות, אחסון החומר וכו' = השאלות ששאלת, כך שאם אתה רוצה לחפש מידע כזה, כך מה שאתה צריך זה לרשום בגוגל את שם החומר באנגלית + MSDS.
    ראה דף MSDS של סודיום פולי אקרילט.
    https://www.stevespanglerscience.com/blog/wp-content/uploads/2013/01/Ins...
    ממנו עולה כי החומר אינו דליק (אם כי מנסיוני הוא מתפחם כאשר מושם באש, בכל זאת מדובר בחומר פחמני), ואינו רעיל, ויש לו חייו מדף טובים – כל עוד הוא מאוחסן במקום יבש.
    לגבי התקלות ורעילות לצמחים – אין מידע. לפי הבנתי את מבנה החומר אינו צפוי להיות חומר מתקלה בקלות (אין בו קשרים כימיים שחיידקים יודעים לפרק טוב).
    בברכה
    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע