תולעי גומי מתעוררות לחיים

בניסוי זה נשתמש בתגובה כימית ותכונות ציפה של חומרים כדי לגרום לתולעי גומי לרקד בתוך כוס. הניסוי מחייב השגחה של אדם מבוגר!

ציוד וחומרים

• נחשי גומי (הממתק)
• חומץ
• אבקת סודה לשתייה
• כוס
• מספריים (זהירות!)
• כפית
• כף

רוצים להרקיד נחשי גומי? זה כל מה שאתם צריכים | רונית צוויג

מהלך הניסוי

את מהלך הניסוי אפשר לראות בסרטון הבא:

ציפה ושקיעה

תולעים מגומי  מן הסתם לא יכולות להתעורר לחיים וגם לא לנוע מעצמן. את תנועת התולעים בניסוי הישגנו בעזרת משחקים של ציפה ושקיעה, ולכן לפני שנסביר על הניסוי עצמו, נסביר טיפה על התופעות האלו. 

עקרון הציפה, או חוק הציפה, הוא חוק פיזיקלי שגילה המדען היווני ארכימדס לפני יותר מ-2,200 שנה. ארכימדס שם לב שיש חפצים שכאשר זורקים אותם למים, הם שוקעים מיד לקרקעית – למשל אבנים.
לעומת זאת יש חפצים שצפים על פני המים – למשל גזע עץ, או חומר "מודרני" כמו קלקר. ארכימדס ניסה להבין מה הסיבה להתנהגות השונה: מה קובע אם חומר ישקע או יצוף על פני מים?

ארכימדס גילה שבניגוד למה שאולי היינו עשויים לחשוב, המשקל של החפץ הוא לא הגורם שקובע אם הוא ישקע או יצוף. חפץ קל לא בהכרח יצוף, וחפץ כבד לא בהכרח ישקע במים: אפילו אבן קטנטנה וקלה מאוד שוקעת במים, ואילו קוביית עץ תצוף, אפילו אם היא גדולה וכבדה במיוחד.

הגורם הקובע אם חפץ יצוף או ישקע, מצא ארכימדס, הוא ה"צפיפות" או ה"משקל סגולי", של החפץ, שהוא היחס בין המשקל של הגוף לנפח שלו. עבור מים, למשל, הנפח של 1 גרם הוא 1 סמ"ק (קובייה שאורך צלעותיה הוא  סנטימטר אחד), ולכן הצפיפות של מים היא 1/1=1 גרם לסמ"ק.

חוק ארכימדס קובע כי חומרים עם צפיפות נמוכה יצופו על פני חומרים עם צפיפות גבוהה, ולהפך. כלומר, כדי לדעת אם גוף ישקע בנוזל או יצוף בו, פשוט משווים את הצפיפות שלו לצפיפות הנוזל. אם הצפיפות שלו גבוהה מצפיפות הנוזל, הוא ישקע; אם הצפיפות שלו נמוכה מצפיפות הנוזל, הוא יצוף.

כיוון שהצפיפות של נחשי גומי גבוהה מצפיפות המים, הם שוקעים בתחתית הכוס – שהנוזל שבה מורכב בעיקר ממים. הצפיפות היא תכונה פנימית של חומר, ולכן זה לא משנה אם נחתוך את נחשי הגומי לתולעי גומי קטנות – הם תמיד ישקעו.

אם נרצה שהם יצופו, נצטרך להקטין בצורה כלשהי את הצפיפות הממוצעת שלהם. כאן באים לעזרתנו מצופים שנדבקים אליהם  - בועות גז שאנחנו יוצרים.

חוק ארכימדס קובע כי חומרים עם צפיפות נמוכה יצופו על פני חומרים עם צפיפות גבוהה. הצפיפות של שעם (מימין) נמוכה מזו של מים, ולכן הוא צף על פניהם. הצפיפות של עץ (באמצע) גבוהה קצת יותר, לכן הוא שוקע בחלקו אך נשאר על פני המים, והצפיפות של המסמר העשוי מתכת גבוהה מספיק בשביל שהוא ישקע לחלוטין במים | Shutterstock, Illustrator76

תגובה כימית מגיעה לעזרה

לתוך הכוס הוספנו אבקת סודה לשתייה, וברגע שאנו מוסיפים אליה 2-3 כפות של חומץ היא מתחילה לבעבע, כאילו הייתה כוס של משקה מוגז. למעשה לא רק "כאילו" אלא באופן ממש דומה: הגז שמבעבע בכוס הוא הגז פחמן דו-חמצני (CO₂ בסימול הכימי) שהוא הגז שנמצא במשקאות תוססים. אצלנו בניסוי הוא נוצר בתגובה כימית בין אבקת הסודה לשתייה (NaHCO₃) לחומץ (CH₃COOH).

מבחינה כימית, התגובה שמתרחשת היא:

 CH₃COOH_(aq) + NaHCO_3(aq) ----> CH₃COONa_(aq) + H₂O_(l) + CO_2(g)

כאשר (aq) מסמל חומר מומס במים; (l) מסמל מצב צבירה נוזלי; ו-(g) מסמל מצב צבירה גזי. במילים פשוטות התגובה אומרת לנו שחומץ וסודה לשתייה שמומסים במים מגיבים זה עם זה, בתהליך שבין השאר משחרר גז פחמן-דו-חמצני (CO₂). 

מכיוון שצפיפות הגז נמוכה בהרבה מצפיפות המים, בועות הגז צפות, וכשהן נוצרות בנוזל הן נדחפות בכוח כלפי מעלה לעבר שפת הכוס. חלק מהבועות מצטברות על פניהן המחורצות של תולעי הגומי. המבנה המחוספס שלהן גם מסייע לבועות של הגז להשתחרר או להיווצר ממש על פניהם (בדיוק כמו בניסוי מנטוס וקולה)

בשלב מסוים התולעים מתכסות בכל כך הרבה בועות של גז עד שכוח הציפה המופעל עליהם חזק מספיק כדי להציף אותם למעלה. התהליך מזכיר אדם עם מצופים בבריכה, שהמצופים דוחפים אותו למעלה ולא מאפשרים לו לשקוע. בשלב זה יש חשיבות לכך שחתכנו את הנחשים לתולעים דקות – כך המסה שלהן נמוכה יותר, ויחד עם הבועות שמכסות אותן בסך הכל הצפיפות הממוצעת שלהן נמוכה יותר גם היא, וכל המערכת צפה.

כשהתולעת מגיעה מעלה, הבועות המקיפות אותה מתפוצצות ומתאחדות עם האוויר החיצוני. חלק מהבועות גם מתנתקות מהתולעים תוך כדי תנועתן. כך או כך התוצאה של עזיבת בועות הגז היא אחת: כוח הציפה הפועל על התולעים מצטמצם והן שוקעות שוב בתחתית הכוס, שם הן אוספות שוב בבועות גז שמצפות ומציפות אותן וחוזר חלילה – וכך נראה לנו שהן התעוררו לחיים והחלו לרקוד.

הגז שמבעבע בכוס הוא הגז פחמן דו-חמצני, שנוצר בתגובה כימית בין אבקת הסודה לשתייה לחומץ. כוס עם בועות שנוצרו בתגובה כזו | Shutterstock, JPBC

דרכי מיתון

מי שמכיר קצת ניסויים ביתיים, ודאי מכיר את הניסוי המפורסם 'הר געש של קצף' שגם בו משתמשים בחומץ ובאבקת סודה לשתייה, כדי ליצור התפרצות מהירה הדומה להר געש. אלא שבניסוי הר געש ההתפרצות, שנגרמת מהתגובה הכימית, מתרחשת תוך 2-3 שניות, ואילו בניסוי הנוכחי הכל יותר מתון ואיטי – התגובה יכולה להימשך אפילו שעה שלמה. מה גורם להבדל בין הניסויים?

חומץ, כפי ששמו מעיד עליו, שייך למשפחת החומרים הנקראים חומצות, וסודה לשתייה – למשפחת הבסיסים. התגובה הכימית ביניהם, תגובת חומצה-בסיס, היא אכן תגובה כימית מהירה ביותר - אולם יש דרכים לזרז או להאט תגובות כימיות. בניסוי הזה השתמשנו בשתי שיטות כדי למתן את התגובה, שלא תתרחש כל כך מהר ושלא תהייה לנו 'התפרצות' מהירה של בועות אלא ביעבוע מתון. קודם כל, כשערבבנו את הסודה לשתייה במים, בכוונה לא המסנו את כל האבקה, אלא השארנו חלק בתחתית הכוס. המסה מזרזרת תגובות כימיות, כי היא מאפשרת לכל חלקיקי המוצק להיחשף לחומר איתו הוא מגיב, בעוד שכאשר מדובר באבקה שמצטברת בתחתית, רק השכבה העליונה שלה נחשפת לחומר. לכן המסה חלקית מאטה את קצב התגובה. השיטה השנייה בה השתמשנו היא מיהול – השתמשנו בכוס מים כמעט מלאה, שמוהלת את כל המערכת. המיהול מרחיק את החלקיקים שמגיבים זה עם זה, במקרה זה הסודה והחומץ, וכך מאט את התגובה גם הוא.