מדוע שום דבר לא נדבק לטפלון? ואיך בכל זאת מצליחים להצמיד אותו למחבתות ולסירים?
כל מי שרחץ אי פעם סירים ומחבתות יודע שאם כבר לשטוף, אז רק כלים מצופי טפלון. נראה שלא משנה כמה נתאמץ, שום דבר לא נדבק אליהם. איך קורה הקסם הזה?
טפלון הוא שמה המסחרי של מולקולה בשם Polytetrafluoroethylene, או בקיצור PTFE. היא התגלתה במקרה בשנת 1938 כשהחוקר רוי פלנקט (Plunkett) מחברת דופונט האמריקאית ניסה ליצור חומר שישמש לקירור. התוצר שהפיק היה פולימר (מולקולה ארוכה המורכבת מיחידות שחוזרות על עצמן) שבנוי כשרשרת ארוכה של אטומי פחמן שמחוברים לאטומי פלואור. למולקולה הזאת יש תכונות מיוחדות – היא לא נוטה להגיב עם חומרים אחרים, יש לה טמפרטורת התכה גבוהה, היא מבודדת מבחינה חשמלית, יש לה מקדם חיכוך נמוך מאוד ודברים לא נוטים להידבק אליה.
התכונות המיוחדות של הטפלון נובעות מההרכב הכימי ומהמבנה שלו: הקשר בין אטום הפחמן לאטומי הפלואור חזק מאוד, ולכן דרושה אנרגיה רבה כדי לשבור אותו ולהחליפו בקשר חדש, מכאן נולדה היציבות הכימית של החומר ואדישותו לחומרים רבים. בנוסף, אטומי הפלואור גדולים מאטומי הפחמן ולכן "מסתירים" אותם ממולקולות שמגיעות מבחוץ ומקטינים את הסיכוי שייצרו איתם תגובה כימית.
סיבות נוספות לכך שחומרים לא נדבקים לטפלון קשורות לתכונות החשמליות שלו: PTFE הוא מולקולה נייטרלית מבחינה חשמלית, כלומר סך המטען החיובי שבה (מספר הפרוטונים) שווה לסך המטען השלילי שלה (מספר האלקטרונים). לכן המולקולה לא נמשכת למולקולות טעונות שנמצאות בקרבתה ולא נדחית מהן.
להלכה גם מולקולות נייטרליות יכולות להימשך, גם אם באופן חלש יותר, על ידי כוחות ון-דר-ולס. מדובר בכוחות חשמליים חלשים מאוד שפועלים בטווחים קצרים מאוד (פחות ממיליארדית המטר) על מולקולות ניטרליות, כלומר כאלה שסך המטען החשמלי שלהן הוא אפס. כדי שזה יקרה המולקולות צריכות להיות מקוטבות או ניתנות לקיטוב, כלומר שהאלקטרונים מפוזרים במולקולה בצורה בלתי אחידה באופן קבוע או כתוצאה מהשפעה חיצונית. מולקולת הטפלון אינה מקוטבת ואינה ניתנת לקיטוב בקלות.
הסיבה לכך היא המבנה הסימטרי של המולקולה, שמביא לידי כך שהאלקטרונים מפוזרים סביבה באופן אחיד, כלומר ללא קיטוב. בנוסף, פלואור מושך אליו בעוצמה רבה אלקטרונים מאטומים אחרים. האלקטרונים האלה מתרכזים ליד אטומי הפלואור ולא נוטים לזוז בקלות, ולכן קשה לקטב את מולקולת הטפלון. צירוף כל הסיבות הללו הופך את הטפלון לחומר חלק במיוחד, שאפילו שממית אינה יכולה להידבק אליו.
קשר חזק בין אטומי הפחמן והפלואור ופיזור אחיד של האלקטרונים גורמים לאדישות הטפלון | הדמיה: Science Photo Library
קצת רמאות
נשאלת אם כן השאלה איך בכל זאת מדביקים טפלון למחבתות וסירים? התשובה היא שצריך לרמות קצת ולשנות את המולקולה. אפשר לעשות את זה בעזרת פלזמה, כלומר על ידי הפגזת הטפלון בחלקיקים טעונים בצורה שתגרום לאטומי פלואור להתנתק משרשרת הפחמן. במקומות שבהם זה קורה, הפחמן נותר לא מוגן ובמחסור של אלקטרון, מכיוון שהפלואור חובב האלקטרונים לקח את האלקטרון איתו. המצב הזה מאוד לא יציב מבחינה כימית ולכן הפחמן יחפש ליצור קשר כימי עם כל חומר שנמצא בקרבתו, למשל המתכת שממנה עשויה המחבת.
דרך נוספת לשבור את קשר הפחמן-פלואור היא שימוש בגורם מחזר, כלומר כימיקל שיעביר לפלואור אלקטרונים וכך יגרום לפירוק הקשר בין הפלואור לפחמן ויעשה את הפחמן נגיש. הגורם המחזר גונב למעשה את הפלואור מהפחמן. גורמים מחזרים טובים לשבירת קשר הפחמן-פלואור הם מתכות אלקליות כמו נתרן, אשלגן וליתיום.
סרטון של Ted-Ed על טפלון (אנגלית, כתוביות בעברית):
