נוסח השאלה המלא: איך מייצרים את קלקר בפועל (איך מבעבעים גז בתוך הפוליסטרן הנוזלי)? באיזה גז מדובר?היכן ניתן להשיג פוליסטרן נוזלי? איך מייצרים קלקר צפוף יותר וצפוף פחות? אייל

קלקר, בשמו המדעי, "פוליסטירן מוקצף" הוא פולימר של החומר סטירן (C2H3-C6H5). פולימר- הוא חומר שמורכב מהרבה (פולי) יחידות חוזרות (מונומרים). כדי ליצר פוליסטירן, הכימאים משתמשים בעיקרון דומה למשחק הלגו – כלומר בונים משהו מורכב באמצעות אבני ביניין קטנות ופשוטות, שניתן להשיג בקלות. הבעיה היא שגם חומר המוצא ליצור פוליסטירן - הסטירן (המונומר) לא ניתן להשגה ממקור טבעי, כלומר גם אותו צריך לסנטז מחומרים עוד יותר פשוטים: בשלב הראשון מגיבים את החומר אתילן (מכונה גם אֶתֶן) עם החומר בֶנְזֶן (לא להתבלבל עם בנזין), שתי החומרים ניתנים להשגה מתוך נפט הגולמי, שכידוע נמצא בשפע, תוצר התגובה הוא החומר אתיל-בנזן:


(בציור מולקולות בכימיה אורגנית נהוג לא לצייר את אטומי המימן, אלא רק את הקשרים בין אטומי הפחמן, כמו שרואים במולקולה אתיל-בנזן)

השלב הבא, מכונה דה-הידרוגנציה, כלומר הוצאת מימן, והוא ההופך את האתיל-בנזל לסטירן, מבוצע על ידי חימום לטמפ' של 650oC ושימוש בזרז מיוחד (תערובת של תחמוצות ברזל ואשלגן) המאיצים את התגובה:  

השלב האחרון, הוא תגובת הפילמור של סטירן, הרבה מולקולות סטירן מגיבות אחת עם השנייה ויוצרות שרשראות ארוכות, של 2000 עד 3000 (!) מולקולות של סטירן המחוברות בשרשרת:  

כיצד מקציפים את הסטירן:
אם מסתכלים על קלקר היטב מקרוב, רואים כי הוא בנוי מכדורים קטנים הדבוקים יחדיו (אפשר לראות זאת טוב יותר אם שוברים את הקלקר). כל גרגיר כזה מיוצר בשיטה דומה לאופן שבו מיצרים פופקורן מגרעיני תירס. בזמן תהליך ההכנה של הפולימר מערבבים בתוכו גורם מקציף/מתפיח – בעבר זה היה חומרים ממשפחת הכלורו-פלואורו-פחמנים, ששימשו גם כגז הדוחף בתרסיסים (ספריים), אולם בגלל שהחומרים הללו הורסים את שכבת האוזון ביימינו פחת השימוש בהם ונוטים להשתמש בחומרים מתפיחים כמו החומר פנטאן (C5H12), מהמשפחה הכימית של האלקאנים האינרטית (האדישה, הלא-מגיבה) שלא פוגע בשכבת האוזון. הגורם המתפיח, בהיותו דומה מבחינה כימית לסטירן ולפוליסטירן נמס בתוכם על פי עקרון המסיסות הכימי, ובסוף נשאר לכוד בתוך הפוליסטירן (שמיוצר בצורה של גרגירים דחוסים).


קלקר/פוליסטירן מוקצף. ניתן לראות בבירור את המבנה הגרגירי (בנוי מכדוריות דבוקות) (התמונות עובדו מתוך אתר וויקיפדיה)

כדי להקציף/להתפיח את הגרגירים של הפוליסטירן פשוט מחממים אותם בעדינות, ואז, בדיוק כמו בפופקורן, גורם ההתפחה שלכוד בתוך כל גרגיר הופך לגז ובשלב מסויים פורץ החוצה תוך פיצוץ והתפחת גרגיר הפוליסטירן (שמרוכך בעצמו בעקבות החמום, עובדה שמקלה על ההתפחה), כך נוצרים כדורוני הקלקר.
כדי לחבר כדורוני-קלקר יחד לכדי צורה קשיחה, אוספים אותם לתוך תבנית, ודוחסים אותם תוך כדי חימום קל – מה שמתיך מעט את הגרגירים ומדביק אותם אחד לשני.

בצפיפות הקלקר אפשר לשלוט במספר אופנים: על ידי כמות החומר המתפיח שמוכנסת לפוליסטירן בעת הייצור, על פי קצב וטמפרטורת ההתפחה, ובסוף – על ידי הדחיסה של גרגירי הקלקל לכדי צורה קשיחה.

(לגבי השגת פוליסטירן נוזלי – אני מציע לך לפנות לאחד היצרנים של קלקר בארץ, אם-כי, קלקר 'נוזלי' כמובן שלא תוכל להשיג, כי הקלקר הוא מוצק בטמפ' החדר, וכדי לנזל אותו צריך לחממו).

מאת: ד"ר אבי סאייג
המחלקה לנוירוביולוגיה ומכון דוידסון לחינוך מדעי
מכון ויצמן למדע

הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.

 

17 תגובות

  • עדי

    קלקר

    האם הפולימר הנ"ל הוא תוצר של דחיסה או סיפוח?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    סיפוח

    היי עדי
    פוליסטירן נוצר במנגנון סיפוח / גידול בשרשרת.
    במנגנון 'דחיסה' יוצאת מולקולה כאשר שני מונומורים מתחברים יחד. אולי את/ה יכול/ה לראות בציור בכתבה - הפוליסטירן הוא פשוט חיבור של המונומרים, בלי כל שאריות שיורדות.

    בברכה
    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע

  • ש.

    האם ישנה דרך לחבר קלקר שנשבר?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    דבקים על בסיס מים

    אתה יכול לנסות דבקים על בסיס מים, אפילו דבק פלסטי (לבן). יכול לנסות גם סיליקון ו'מסטיק' אקרילי לאיטום. בכל מקרה לא כדאי לנסות דבק מגע, או דבקים דומים על בסיס ממסים אורגניים. אלו אולי ידביקו את הקלקר, אבל ימיסו אותו, ראה כאן:
    https://davidson.weizmann.ac.il/online/scienceathome/chemistry/%D7%A7%D7...

    בברכה
    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע

  • מרסל

    מי המציא את הקלקר ומתי?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    המצאת הקלקר

    הקלקר הומצא לראשונה על ידי הממציא השוודי קארל מונטרס https://en.wikipedia.org/wiki/Carl_Munters
    לא מצאתי שנה. אבל בשנת 1941 הכימאי ריי מכינטייר (Ray McIntire) מחברת הכימיקלים האמריקאית דוו (Dow Chemicals) גילה אותו מחדש בצורה בלתי תלוייה למונטרס, שלא פיתח את ההמצאה. החברה רחשה את הפטנטים של מונטרס והיא שיצרה, הפיצה ושיווקה את הקלקר לכל העולם.

    בברכה
    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע

  • רונה רפאל

    תודה

    לאנשי מכון דוידסון שלום.
    אני בת 8, והאתר עזר לי מאד בהכנת עבודת חקר.
    תודה רבה!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ,רונה

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    בשמחה רונה, שמחנו לעזור!

    :-)

  • ענר

    גרגירי פוליסטירן

    שלום
    היכן ניתן לקנות גרגירי פוליסטירן. אני לא מבין בתחום אבל זקוק לזה לניסויים שונים עם החומר ולכן זה יכול להיות סוג זול ללא תכונות מיוחדות. אשמח לקבל שמות של מקומות.
    תודה

  • נירית.

    מילוי מפוליסטירן או מפוליסטירן מוקצף

    רציתי לדעת איזה מילוי עמיד יותר - מבחינת שמירה על צורה: פוליסטירן או פוליסטירן מוקצף (במילים אחרות איזה כרית תשמור יותר על צורתה כזאת שיש בתוכה פוליסטירן מוקצף או כזאת שיש בתוכה פוליסטירן)?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    מוקצף ולא מוקצף

    שלום נירית,

    פוליסטירן לא-מוקצף שומר על צורה טוב יותר מפוליסטירן מוקצף. אבל האם את בטוחה במידע שמכינים ממנו מילוי לכריות? פוליסטרן לא מוקצף הוא קשיח למדי (גביע של קוטג', לדומא) וקשה לי להאמין שמישהו ירצה להניח את הראש על דבר כזה. אני יודע שממלאים כריות וגם כריות ישיבה ('פופים') בגרגירים של קלקר, אבל לא בפלסטיק קשה.

    אבי.

  • מורן

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    תשובה

    הערה: האתר לא נועד לפתור שאלות הניתנות במסגרת שעורי בית (ולכן, שאלות שיראו ככאלו יענו בהשהיית זמן). ובקשר לתשובה: כל פולימר שמכיל שייר חומצי (למשל שייר של חומצה קרבוקסילית COOH) ביחידה החוזרת יגיב עם נתרן ליצירת מימן (השייר החומצי יגיב עם הנתרן בתגובת חומצה-מתכת) דוגמא ליחידות חוזרות שכאלה:
      [-CH2-CH(COOH)-]n

    או, אם את מעוניינת בסוג של פוליאסטר (עם היחידה האסטרית COO המקשרת):
    [-CH2-CH(COOH)COO-]n
    אבי

  • שני

    שאלה על בנזן

    בנזן היא תרכובת יציבה ולכן עובר חיזור רק בטמפרטורות ולחצים גבוהים. לאיזה חומר הוא עובר חיזור

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    תשובה על בנזן

    בנזן – מכיל קשרים כפולים, חיזור בכימיה אורגנית מתבצע לרוב על ידי גז מימן (H2), ולכן חיזור בנזן על ידי מימן ירווה את כל הקשרים הכפולים במימן (תגובת סיפוח לקשר כפול)...ולכן, הבנזן יהפוך מטבעת משושה עם קשרים כפולים (לא רוויים, ציור מבנה הבנזן בשאלה למעלה) לטבעת משושה רוויחה במימן = ציקלוהקסן.
    התגובה:
    C6H6 +3H2 ------> C6H12

    ציקלוהקסאן C6H12

    אבי

  • אחיה

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    בקשר לחוסר צבע

    בכדי שחומר יהיה בעל צבע, עליו לבלוע אורך גל מסויים, ולהחזיר חזרה אל עינינו אורך גל אחר (אפשר לקרוא על כך ביותר פירוט בתשובה בקישור כאן-'למה חומרים משנים צבע כאשר משנים מצב צבירה'

    בכדי שתרכובת של פחמן תהייה בעלת צבע, עליה להכיל מערכת ארוכה של קשרים כפולים מצומדים (מערכת של קשר יחיד-כפול לסירוגין) עם קבוצה מושכת אלקטרונים בקצה אחד, וקבוצה מוסרת אלקטרונים בקצה השני של המערכת, מערכת כזו מסוגלת לבלוע פוטונים (ולהיות בעלת צבע) על ידי עירור אלקטרונים למעבר מקצה אחד לקצה השני של המערכת. הסבר מפורט יותר אפשר לקרוא בקישור לשאלה 'מדוע הכתמת בגד באקונומיקה מלבינה אותו?'
    בפוליסטירן אין מערכת כזו, (המערכת המצומדת היחידה שיש היא בתוך טבעת הבנזן המשושה, זאת אמנם מערכת מצומדת, אבל היא קצרה מדי, וסימטרית, ללא קבוצות מושכות או דוחפות אלקטרונים בקצוות שונים), הקשרים שיוצרים את שרשרותיו הארוכות הם קשרים בודדים, ולכן הוא חסר צבע. יש לציין שהוא לא תמיד 'שקוף' – כידוע, כאשר פוליסטירן מוקצף הצבע שלו הוא 'לבן' – מה שאומר בפועל שהוא מחזיר חזרה את כל אורכי הגל הפוגעים בו. זה מתרחש בגלל תופעה שנקראת 'החזרה גמורה' (משתמשים בתופעה בייצור סיב אופטי, לחץ כאן להסבר)

    כאשר פוליסטירן מוקצף, בדומה לקצף של סבון, כל בועית קצף זעירה מהווה משטח להחזרה גמורה, הצירוף של עשרות אלפי משטחי ההחזרה הזעירים, אשר נמצאים בזוויות שונות גורם לכך שכל אור שמוקרן על הקצף מיד מתפזר חזרה – והתוצאה היא צבע לבן. דרך-אגב, אותה תופעה מתרחשת כאשר מסתכלים על סוכר או מלח: כל גרגיר בפני עצמו הוא שקוף, אבל אלפי גרגירים ביחד יוצרים מראה 'בצבע' לבן.

    אבי