סליים

סליים – כשהכימיה הופכת לחומר שאפשר למתוח

מספר מפגשים: 1

סליים הוא אחד החומרים שילדים הכי אוהבים לגעת בהם, למתוח אותם ולשחק איתם. אבל מאחורי החומר הצבעוני והגמיש מסתתרת שאלה מדעית מסקרנת:

סליים הוא מוצק או נוזל?

אם מניחים סליים על שולחן ומשאירים אותו לזמן מה, הוא יכול להתפשט ולזרום באיטיות.

אם מושכים אותו לאט – הוא נמתח.

אבל אם מושכים אותו במהירות – הוא מתנגד יותר ולעיתים אפילו נקרע.

אז מה הוא בעצם?

התשובה נמצאת בעולם קטן שאנחנו לא יכולים לראות בעיניים – עולם המולקולות והפולימרים.

---

מה לומדים בפעילות?

במהלך הכנת הסליים התלמידים לא רק יוצרים חומר מהנה למשחק, אלא חוקרים כיצד שינוי שמתרחש ברמה המולקולרית משנה את התכונות של החומר שאנו רואים ומרגישים.

בפעילות נכיר מושגים ורעיונות כגון:

• מולקולות

• פולימרים

• שרשראות פולימר

• בורקס ובוראט

• קשרים צולבים בין שרשראות

• ויסקו־אלסטיות

• חומרים לא־ניוטוניים

• שינוי משתנים בניסוי

• השערה, בדיקה והסקת מסקנות

הרעיון המרכזי של הפעילות הוא:

המבנה של החומר קובע את התכונות שלו.

---

מה נמצא בתוך הדבק?

החומר שממנו אנו מתחילים מכיל פולימרים.

פולימר הוא מולקולה גדולה מאוד הבנויה מהרבה יחידות קטנות המחוברות זו לזו ויוצרות שרשרת ארוכה.

אפשר לדמיין פולימר כמו:

שרשרת ארוכה של חרוזים,

חבל ארוך,

או אפילו קערה מלאה בחוטי ספגטי.

בדבק נמצאות הרבה שרשראות פולימר ארוכות זו לצד זו.

השרשראות יכולות לנוע ולהחליק זו ליד זו, ולכן החומר מסוגל לזרום.

---

ואז מגיע הבורקס

כאשר מוסיפים לתערובת חומר מתאים המבוסס על בורקס, מתחיל להתרחש שינוי.

בורקס הוא חומר המכיל בורון. כאשר הוא נמצא בתמיסה מימית נוצרים בה חלקיקים ממשפחת הבוראט.

לצורך ההסבר לילדים אפשר לחשוב עליהם כעל:

"מחברים קטנים"

המחברים האלה עוזרים ליצור קשרים בין שרשרת פולימר אחת לשרשרת אחרת.

---

בורקס ובוראט – מה ההבדל?

קל להתבלבל בין שני המושגים.

בורקס הוא החומר שממנו מתחילים.

בוראט הוא השם לקבוצת חלקיקים המכילים בורון וחמצן, אשר יכולים להשתתף ביצירת חיבורים בין שרשראות הפולימר.

במילים פשוטות:

הבורקס נכנס לתמיסה – והבוראט עוזר לחבר בין השרשראות.

---

נוצרת רשת

לפני הוספת החומר המחבר, שרשראות הפולימר יכולות לנוע יחסית בחופשיות זו ליד זו.

לאחר הוספת התמיסה נוצרים ביניהן חיבורים.

לחיבורים האלה קוראים:

קשרים צולבים – Cross-links

במקום הרבה שרשראות נפרדות, מתחילה להיווצר רשת של שרשראות המחוברות זו לזו.

השרשראות עדיין יכולות לנוע, אבל הן כבר לא חופשיות כפי שהיו קודם.

וזה השינוי שהופך את התערובת לסליים.

---

שינוי קטן שלא רואים – שינוי גדול שמרגישים

אנחנו לא יכולים לראות את שרשראות הפולימר או את הקשרים ביניהן בעיניים.

אבל אנחנו בהחלט יכולים להרגיש את התוצאה.

פתאום החומר:

נמתח,

מתכווץ,

זורם,

משנה צורה,

מתנגד למשיכה,

ולעיתים גם נקרע.

כל התכונות האלה נובעות מהמבנה שנוצר בין השרשראות ברמה המולקולרית.

זה אחד הרעיונות החשובים בכימיה ובמדע החומרים:

שינוי במבנה החומר משנה את ההתנהגות שלו.

---

למה הסליים נמתח כשמושכים לאט?

נסו לקחת חתיכת סליים ולמשוך אותה לאט.

היא יכולה להימתח למרחק גדול.

עכשיו קחו את אותו סליים ומשכו אותו במהירות.

מה קרה?

כאשר מושכים לאט, לשרשראות הפולימר יש זמן לנוע ולהסתדר מחדש.

כאשר מושכים מהר, לשרשראות יש פחות זמן להתארגן ולכן החומר מתנגד יותר ולעיתים נקרע.

כלומר:

לא רק כמה כוח הפעלנו חשוב – גם המהירות שבה הפעלנו אותו משנה את התוצאה.

---

נוזל? מוצק? אולי קצת משניהם

לסליים יש תכונות שמזכירות גם נוזל וגם חומר אלסטי.

מצד אחד הוא מסוגל לזרום ולשנות צורה.

מצד שני הוא יכול להימתח ולהתנגד לשינוי מהיר.

התנהגות המשלבת תכונות של זרימה ושל אלסטיות נקראת:

ויסקו־אלסטיות

ויסקוזי – קשור לזרימה ולהתנגדות לזרימה.

אלסטי – קשור ליכולת להתעוות, להימתח ולשנות צורה.

הסליים משלב בין שתי ההתנהגויות.

---

ומהו חומר לא־ניוטוני?

בנוזלים פשוטים רבים ההתנגדות לזרימה נשארת בקירוב קבועה בתנאים נתונים.

אבל קיימים חומרים שהתנהגות הזרימה שלהם משתנה בהתאם לאופן ולמהירות שבה מפעילים עליהם כוח.

חומרים כאלה נקראים:

חומרים לא־ניוטוניים

לכן לא מדויק לומר שסליים פשוט "הופך למוצק כשלוחצים עליו והופך לנוזל כשעוזבים אותו".

ההתנהגות שלו מעניינת יותר:

היא תלויה בזמן, במהירות ובאופן שבו אנחנו מותחים, לוחצים או מעוותים אותו.

---

עכשיו הופכים למדענים

אחרי שהכנו את הסליים אפשר להתחיל לחקור אותו.

לפני כל בדיקה שואלים:

מה לדעתכם יקרה?

ואז עובדים לפי תהליך מדעי:

השערה → ניסוי → תוצאה → הסבר

לדוגמה:

השערה:
אם אמשוך את הסליים לאט, הוא יימתח יותר.

ניסוי:
מושכים את אותה כמות סליים פעם לאט ופעם מהר.

תוצאה:
משווים בין שתי ההתנהגויות.

הסבר:
מנסים להסביר את התוצאה בעזרת מה שלמדנו על שרשראות הפולימר.

---

שינוי משתנה אחד בכל פעם

מדען טוב מנסה להבין מה בדיוק גרם לתוצאה.

לכן כאשר חוקרים את הסליים חשוב לשנות בכל פעם רק משתנה אחד.

אפשר לבדוק למשל:

• מה קורה כאשר מושכים מהר יותר?

• מה קורה כאשר מושכים לאט יותר?

• מה קורה כאשר משנים את כמות החומר המחבר?

• כמה רחוק אפשר למתוח את הסליים?

• כמה זמן לוקח לו להתפשט על משטח?

• מה גורם לו להיות קשיח יותר?

• ומה גורם לו להיות רך או נמתח יותר?

כך הפעילות הופכת מהכנת סליים לניסוי מדעי אמיתי.

---

מעט מדי, בדיוק או יותר מדי?

כמות החיבורים בין שרשראות הפולימר משפיעה על תכונות החומר.

מעט חיבורים

השרשראות עדיין יכולות לנוע יחסית בחופשיות, ולכן החומר עשוי להיות נוזלי ודביק יותר.

כמות מתאימה של חיבורים

נוצרת רשת גמישה שמאפשרת לחומר להימתח ולשנות צורה.

הרבה מאוד חיבורים

תנועת השרשראות נעשית מוגבלת יותר והחומר עשוי להפוך קשיח ופחות נמתח.

אין כאן רק "נכון" או "לא נכון".

אפשר ממש לתכנן חומר בעל תכונות שונות.

---

אתגר: תכננו את הסליים המושלם

איזה סליים אתם רוצים ליצור?

סליים שנמתח הכי רחוק?

סליים קשיח יותר?

סליים רך יותר?

סליים שזורם מהר יותר?

סליים שפחות נדבק?

עכשיו מגיעה השאלה המדעית החשובה:

איזה משתנה הייתם משנים כדי להגיע לתוצאה הרצויה?

כאן התלמיד כבר אינו רק מי שמכין סליים.

הוא הופך לחוקר חומרים קטן.

---

איפה עוד יש פולימרים?

פולימרים נמצאים כמעט בכל מקום סביבנו.

אפשר למצוא אותם בין היתר ב:

• פלסטיק

• גומי

• דבקים

• סיבי בגדים

• חומרי אריזה

• חומרים אלסטיים

• מוצרים סינתטיים רבים

גם בטבע קיימים פולימרים חשובים.

כלומר, הסליים הוא רק שער קטן לעולם עצום של כימיה ומדע החומרים.

---

האם רק סליים מתנהג בצורה מיוחדת?

ממש לא.

גם חומרים שאנחנו פוגשים בחיי היום־יום יכולים להציג התנהגות זרימה מעניינת.

לדוגמה:

קטשופ,

משחת שיניים,

צבע,

ותערובת של קורנפלור ומים.

בכל אחד מהמקרים אפשר לשאול:

איך החומר מגיב כאשר מפעילים עליו כוח?

---

מה הערך הלימודי של הפעילות?

הכנת הסליים מאפשרת לתלמידים ללמוד מדע באמצעות הידיים.

במהלך הפעילות הם מתרגלים:

• חשיבה מדעית

• שאילת שאלות

• העלאת השערות

• ביצוע ניסויים

• תצפית

• השוואת תוצאות

• שינוי של משתנה אחד בכל פעם

• הבנת סיבה ותוצאה

• הסקת מסקנות

• פתרון בעיות

• ניסוי וטעייה

• חשיבה יצירתית

• חיבור בין העולם המיקרוסקופי לעולם שאנו רואים

המטרה היא לעבור מ:

"אני יודע להכין סליים"

ל:

"אני מבין למה הסליים מתנהג כך, ואני יכול לחזות כיצד שינוי בתהליך ישפיע עליו."

---

מדענים עובדים בבטחה

גם פעילות מהנה היא פעילות מדעית, ולכן עובדים לפי כללי בטיחות.

• אין לאכול או לשתות את חומרי הפעילות.

• אין להכניס סליים לפה.

• יש להימנע ממגע עם העיניים.

• לאחר הפעילות יש לשטוף היטב את הידיים.

• עובדים רק בהתאם להוראות המדריך ובחומרים המיועדים לפעילות.

• כאשר הדבר נדרש משתמשים בציוד מגן מתאים.

מדען טוב הוא גם מדען שעובד בצורה בטוחה.

---

שאלת הסיום

אחרי שהכנתם, מתחתם וחקרתם את הסליים, נסו לענות:

אם נוסיף יותר חיבורים בין שרשראות הפולימר – כיצד לדעתכם ישתנו תכונות הסליים, ולמה?

והכי חשוב:

בפעם הבאה שאתם מחזיקים סליים ביד, זכרו שאתם לא רק משחקים בחומר מוזר.

אתם מחזיקים ביד רשת של שרשראות מולקולריות – וצופים בכימיה בפעולה.

סרטון הסבר על הסליים



סרטון המדגים את התכונות של חומר זורם לא ניוטוני