מלח, פפריקה
ומנורת לבה

בניסוי הזה נלמד להכין מעין מנורת לבה ביתית בעזרת מים, שמן, מלח ופפריקה, שמבוססת על הבדלים בצפיפות ובמסיסות של חומרים.

ציוד וחומרים

• צנצנת
• כוס
• כפית
• שמן
• פפריקה
• מים
• מלח
• פנס (מומלץ להשתמש בפנס של הטלפון הנייד)

מהלך הניסוי

את מהלך הניסוי אפשר לראות בסרטון:

מנורת לבה וציפה

מנורת לבה היא מנורה דקורטיבית שמורכבת ממיכל זכוכית. כאשר מדליקים אותה נוצר במיכל מין ריקוד בלתי פוסק של בועות נוזל העולות ויורדות בתוך נוזל אחר. הן נקראות כך כי השילוב של תנועת הנוזל עם התאורה מזכיר זרימת לבה של הר געש. 

ריקוד בלתי פוסק של נוזלים שלא מתערבבים. מנורות לבה | צילום: Freedom Master, Shutterstock

אופן הפעולה של מנורת לבה אמיתית, כמו גם של מנורת הלבה שבנינו מבוסס על עקרון הציפה, או חוק הציפה – חוק פיזיקלי שגילה המדען היווני ארכימדס לפני יותר מ-2,200 שנה.

ניסוי קצר ליד מאגר מים או אפילו כוס מים מראה בבירור שישנם חפצים השוקעים במים, כמו אבנים. לעומת זאת יש חפצים שצפים על פני המים כמו עץ או קלקר. ארכימדס התעניין בתופעת הציפה וגילה שבאופן מפתיע, ובניגוד לאינטואיציה, המשקל של החפץ הוא לא הגורם שקובע אם חפץ ישקע או יצוף, כלומר חפץ קל לא בהכרח יצוף וחפץ כבד לא בהכרח ישקע בתוך מים: אפילו אבן קטנטנה וקלה מאוד שוקעת בתוך מים, ואילו קוביית עץ תצוף, אפילו אם היא גדולה במיוחד.

הוא גילה כי מה שקובע אם חפץ יצוף או ישקע זה גודל הנקרא 'צפיפות' או 'משקל סגולי' שזה בעצם היחס בין המשקל של הגוף לנפח שלו. עבור מים, למשל, הנפח של גרם אחד הוא סנטימטר מעוקב אחד (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, ולהיפך - חומר צפוף יותר ישקע בחומרים פחות צפופים ממנו. 

לשמן בישול, למשל, צפיפות של כ-0.9 גרם לסמ"ק. זה פחות מ-1, לכן שמן צף על פני מים.
לאבנים צפיפות גדולה מ-1 ולכן אבנים תמיד שוקעות בתוך מים, לא משנה מה משקלן.

במנורת לבה – יש 'משחק' של צפיפויות שגורם לתנועה בלתי פוסקת מעלה-מטה או ליתר דיוק – ציפה ושקיעה. המשחק הזה מושג על ידי שינוי של הצפיפויות.

במנורה שבנינו המקור למשחק הצפיפויות הוא המלח. למלח יש צפיפות של כ-2.2 גרם לסמ"ק כלומר הוא צפוף בהרבה גם מהמים וגם מהשמן. לכן כאשר מוסיפים מלח לצנצנת, הגרגירים  שוקעים דרך שכבת השמן אל המים, וממשיכים לשקוע גם בהם. כשהגרגיר עובר בשכבת השמן, נדבק אליו שמן ומצפה אותו בשכבה אחידה, כך שהוא ממשיך לתוך המים עטוף בטיפת שמן.  הצפיפות של טיפת השמן עם המלח גדול מצפיפות המים, לכן הטיפות ממשיכות לשקוע עד תחתית הצנצנת. 

משחק של מסיסות

כאשר הטיפות מגיעות לתחתית מתחולל דבר מעניין: השמן והמלח נפרדים - והשמן הנקי עולה חזרה בצורת טיפות, מה שמשלים את מראה מנורת הלבה, ואילו המלח נשאר במים (ומתמוסס בהם עם הזמן).

בועת יורדות ועולות במנורת הלבה שבניסוי | צילום: עידן גליקזליג, מתוך סרטון מדע בבית

הסיבה לכל ההתרחשויות הללו היא מסיסות: שמן ומים לא מתמוססים זה בזה, גם מלח ושמן לא, אבל מלח ומים – כן.

לפני שנסביר איך זה גורם להתרחשות שאנו רואים במנורה, חשוב להסביר מה קובע אם חומר יתמוסס בחומר אחר. כל החומרים בעולם בנויים מחלקיקים קטנטנים, כגון אטומים ומולקולות. כאשר חומרים מתמוססים זה בזה, המשמעות היא שהחלקיקים של שניהם מתערבבים אלה באלה.  כשמדובר בנוזלים או במוצקים, פועלים כוחות חזקים בין החלקיקים, שמחזיקים אותם יחד ליצירת 'גוש' של חומר מוצק או טיפה של נוזל. בלי כוחות כאלה, החלקיקים היו מתפזרים במקום להישאר יחד, והיו למעשה גז.

לכן כדי ששני חומרים יתמוססו ויתערבבו זה בזה ברמה החלקיקית, צריכים להיפתח הקשרים שמחזיקים יחד את החלקיקים של כל חומר, ולאפשר לחלקיקים של החומר השני להיכנס וליצור קשרים חדשים. סוג הקשרים שמולקולות יכולות ליצור אלו עם אלו קשור למבנה הכימי של כל מולקולה. בין מולקולות המים פועלים כוחות משיכה מאוד חזקים (קשרי מימן), אבל בין מולקולות השמן פועלים רק כוחות חלשים הרבה יותר (קשרי ואן דר ואלס). מולקולות שמן לא מסוגלות לנתק  את הקשרים החזקים שבין מולקולות המים, וליצור איתן קשר חזק כמו שהמים יוצרים עם עצמם, לכן שמן ומים לא מסיסים זה בזה.

חלקיקי המלח קשורים זה לזה בקשרים יוניים, שנוצרים בזכות המשיכה בין מטענים חשמליים שליליים וחיוביים. המים מפרקים את הקשרים האלה, אך השמן – לא. לכן מלח מסיס במים אך לא בשמן. דרך אגב – רוב חומרים שיתמוססו בשמן לא יתמוססו במים ולהיפך. הרחבה על כך בכתבה על כלל המסיסות הכימי.

כאשר גרגיר מלח מצופה בשמן נכנס למים, מיד פועלים כוחות לדחות את השמן החוצה מהמים, כי הוא לא נקשר למים, ולמשוך את המלח אל תוך המים. התוצאה היא שהמלח והשמן נפרדים, השמן צף למעלה והמלח נשאר שקוע. טיפות השמן העולות חזרה יוצרות אפקט הדומה לתנועת הבועות במנורת לבה.

את הפפריקה אנו מוסיפים בשביל המראה הצבעוני והבולט שלה. הסתכלו ונסו להבין היכן מתמוסס הצבע האדום שבפפריקה יותר טוב, בשמן או במים.

מומלץ לצפות בניסוי נוסף שלנו: מנורת לבה – מסוכרזית שמנצל גם הוא את עקרון הצפיפויות. בשונה מהניסוי עם המלח, שם המים עולים לתוך שכבת השמן בעזרת גזים, שהם הרבה פחות צפופים גם מהמים וגם מהשמן.