夏休み自由研究はこれ!?大きく強いシャボン玉が出来る条件を科学的に検証せよ

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先日娘にねだられて割れにくいシャボン玉液を作ったんですが、作り方を調べていたら理系にはたまらないネタだったので、特設ページを開設しました(笑)。

夏休みの自由研究はこれで決まりか!?

と思ったものの、うちの長女はまだ保育園児なので自由研究にはまだ早い。

備忘録的に記録しておくことにします。

 

1.シャボン玉ができる仕組み

子供の遊びでお馴染みのシャボン玉ですが、仕組みはガチで科学です。

説明は非常に難しいです。

頑張って説明してみますので、よろしくお付き合いください(笑)。

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シャボン玉は泡が球形になって空気中に浮かんでいるものです。

シャボン玉の中は空気、球状の膜は石鹸水の成分「界面活性剤」と水で出来ています。

 

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界面活性剤は、水と親和性の高い部分(親水基)と油と親和性の高い部分(疎水基)の両方を持つ分子で、水にも油にも混じることができます。

水と油は混じらないので、食器についた油汚れは水だけで落とすことは出来ません。

しかし界面活性剤を含んだ水、すなわち石鹸水は油汚れを疎水基で包み込みつつ親水基の力で水に溶けることができるのです。

だから石鹸水は油汚れを落とすことができます。台所用洗剤に界面活性剤が入っているのはこのためです。

 

一方で、界面活性剤には水の表面張力を弱める力があります。

コップに限界まで水を注ぐと、水はコップの高さより少しだけ盛り上がるまで入れることができますよね?

これが水の表面張力です。

水は分子間にファンデルワールス力と水素結合が働いており表面張力が強く、空気と接触しているところでは、表面積が小さくなるように丸みを帯びた形になる性質があります。

水を数滴テーブルの同じ場所にこぼすと粒状に盛り上がった形で集まると思います。水は表面張力のせいで薄い膜状には広がりにくいのです。

 

ところが、水に界面活性剤を入れると、石鹸水表面は界面活性剤分子で覆われることになります。

その理由は界面活性剤の疎水基にあります。疎水基は水と仲が悪いので、水中にいるよりも空気の方を向いていたいのです。

界面活性剤は石鹸水表面で疎水基を空気の方へ・親水基を水中に向けていた方が安定に存在出来るのですね。

 

すると、水分子は石鹸水表面には安定的に存在できないので、表面張力が働かなくなります。これにより、石鹸水は膜状に薄く広がることが出来るようになります。

 

ここでシャボン玉の話に戻ります。

シャボン玉の膜構造は、界面活性剤の外膜と内膜、それらに挟まれた水分子の中膜から成っています。

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中膜を作っている水は界面活性剤により表面張力を失って、初めて薄〜く広がることができ、内外の界面活性剤は膜内に水があって初めて安定的に空気に向かって疎水基を向けていることが出来ます。

水が薄く広がらなければ、雨のように地面に落ちて終わってしまいます。

界面活性剤の内外膜は中に水分子がなければ向かい合わせになっていることが出来ず、シャボン玉は壊れてしまいます(なぜって?それは多分界面活性剤の分子極性が関係していると想像します。水分子は非常に極性が高いのに対し、界面活性剤は炭素鎖と水酸基の結合で出来ていますから、水分子より極性が低いです。水分子が界面活性剤の内外膜間で接着剤のような働きをしていると思います)。

薄く広がる水と、界面活性剤の要素がシャボン玉には欠かせません。

 

シャボン玉は出来た瞬間から中の水分子が界面活性剤の膜を飛び出して空気中に蒸発していきます。時間経過とともに水の層は薄くなっていきます。

最後には水分子がすっかり少なくなって、界面活性剤の膜が不安定になり、シャボン玉は割れてしまいます。

シャボン玉の色が徐々に変化していくのは、水の層の厚さの変化により、膜での太陽光の反射の具合(光の干渉という)が変化するためです。

 

以上のように、シャボン玉の仕組みは科学的には結構難しい内容になっていますが、仕組みを理解すれば大きいシャボン玉を作るための条件や割れにくいシャボン玉を作るための条件がよく考察出来るようになると思います。

 

2.自由研究するなら!?検証ポイント

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私が子供と一緒に自由研究の題材を考えるなら、割れにくいor大きいシャボン玉を作るための研究をすることでしょう。

割れにくいor大きいシャボン玉を作るために必要な条件とはなんでしょうか?

考えられるのは、

1.シャボン玉液の配合

2.シャボン玉を作る輪っか

3.シャボン玉を作るテクニック

この3つです。そして、自由研究に向いている題材は上の2つだと思います。

3.も楽しいですが、考察が難しいかなと思うので、今回は割愛します。

 

1.シャボン玉液の配合

割れにくくて大きなシャボン玉を作る液の配合については別の記事で書いたのですが、ご覧になっていただけたでしょうか(笑)?

台所用洗剤の界面活性剤の濃度、洗濯のり、砂糖、白湯が良いシャボン玉液の材料でしたね

これらがどうしてシャボン玉を大きくしたり長持ちさせたりすのに役立つのかを、色々な条件で実際にシャボン玉を作ってみて比べると良い研究ができると思います。

 

・界面活性剤の濃度を変えてみる

界面活性剤の濃度の重要性はシャボン玉の仕組みの説明によって何となく分かっていただけると思っているのですが、十分な界面活性剤の量がなければ、水は大きく薄く広がることができないのです。

しかし、濃度が高ければ高いほど強いシャボン玉が出来るのか?というと、おそらくそんなことはないでしょう。

界面活性剤は石鹸水の表面に綺麗に整列するだけあれば十分だと思いますので、その予想が本当かどうか、濃度の違う石鹸水から出来たシャボン玉が飛んでいる時間を計って平均をとり、比べてみると面白いと思います。

 

・洗濯のりの濃度を変えてみる

洗濯のりは、ポリビニルアルコールという成分で出来ています。ポリビニル基は疎水性、アルコールは親水基ですので、洗濯のりは界面活性剤としての作用があります。また、洗濯のりは水に溶けて蒸発しにくくする作用もありますので、長持ちするシャボン玉を作ることが出来るでしょう。

しかし、これもたくさん入れれば良いのかというと多分違うと思います。洗濯のりは粘度が高く、分子量も大きいです。

沢山入れると石鹸水の伸びが悪くなったり、石鹸水が重くなったりして、大きなシャボン玉はできないかもしれません。

是非、私より一足お先に確かめてみてください(私は来年から研究を始めます)。

 

・砂糖の量や、別の溶質を溶かして比べる

砂糖は分子内に水酸基-OHを沢山持っていて、とても水に溶けやすいです。

砂糖を溶かすと、水の蒸発が起こりにくくなりシャボン玉が長持ちするのだと思います。

砂糖以外のもの(酢、グリセリン、アルコール、塩、重曹あたり)を水に溶かして、シャボン玉の強度を比較するのも面白いと思います。

蒸発のしやすさがシャボン玉の割れにくさにどう影響するかは、単純に使用する白湯の温度を変えて比べてもいいかもしれません。

 

・水を変える

水に白湯または純水が良いと言われるのはなぜでしょうか?

水道水やミネラルウォーターはあまりよくないという噂ですがこれはなぜでしょうか?

きっと塩素やミネラルなどの不純物が悪さをするのでしょうね。

これを確かめるために、水道水、白湯、硬水、軟水などと比較してみたり、砂糖水、食塩水、酢水などと比較してみます。

砂糖ならOKで塩素やミネラルがダメな理由まで考察できればかなり良い研究と言えますが、小学生には難しいかも…。

 

2.シャボン玉の道具

大きなシャボン玉を作るのにより良い道具について考察すると面白いと思います。すなわち、

・輪の大きさ

・輪の素材

・輪の厚み

この3点について、色々なシャボン玉道具を手作りし、同じシャボン玉液で試します。

どうしてそういう結果が得られるのかを考察するんです。

大きなシャボン玉を簡単に作れる道具を作って、夏の間はシャボン玉で遊びまくりましょう!

単純に面白いシャボン玉ができる道具を沢山作ってみる研究でもいいと思います。シャボン玉の中にシャボン玉ができるとか、3連シャボン玉が出来るとか言ったような。

 

3.まとめ

今回はシャボン玉の仕組みと、大きく強いシャボン玉を作るのに必要な要素をシャボン玉液の配合から予想して夏休みの自由研究にしてみるといいんでないかい…というお話でした。

シャボン玉の色の変化に関する研究実験も考案出来たらいいなと思っていますが、まあこれは思いつくかどうかわかりません(笑)。

自由研究の題材に困っている方は是非今夏はシャボン玉で遊んでみてください。最後までお読みいただき、ありがとうございました。

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