החומר המופלא שנמצא בתוך חיתולים

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.

ד"ר אבי סאייג
מכון 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 ואנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.