زنگ تفريح ۲۷۲
آیا تا به حال رنگین کمان های تزئینی درست کرده اید؟ ساختن آنها با کاغذ های رنگی یا ابزار هنری دیگر می تواند سرگرم کننده باشد.
مفاهیم کلیدی:
شیمی، مولکول، فیزیک، مایع، صابون، کشش سطحی
مقدمه:
آیا تا به حال رنگین کمان‌های تزئینی درست کرده‌اید؟ ساختن آنها با کاغذهای رنگی یا ابزار هنری دیگر می تواند سرگرم کننده باشد. اما آیا می‌دانستید می توانید با شیر، صابون مایع یا مواد شوینده و رنگ های خوراکی نیز رنگین کمان درست کنید؟ رنگین کمان ساخته شده با این مخلوط می تواند شما را متعجب کند. در این فعالیت علمی رنگین کمان شیری خود را خواهید ساخت و خواهید دید مواد شوینده و کشش سطحی چه نقشی در این پدیده بازی می کنند.
پیش‌زمینه:
در یک مایع مولکول‌ها (ذرات کوچکی که می توانند بار مثبت یا منفی روی سطح خود داشته باشند) می توانند مانند آهنربا یکدیگر را جذب یا دفع کنند. برای مولکول آبی که از همه طرف توسط مولکول های آب محاصره شده است مقدار کشش و دفع تقریباً برابر است و اثر کلی عدم تغییر است. اما در سطح، جایی که مولکول های آب از یک سمت در معرض هوا قرار دارد، مولکول‌ها بیشتر به سمت پایین و مولکول های آب کشیده می شوند تا به سمت بالا و مولکول های هوا. این امر باعث می شود تا آب در سطح جمع شود و سطح تماس را به حداقل برساند. این پدیده «کشش سطحی» نامیده می شود.
ترکیبات مشخصی بر کشش سطحی آب تأثیر می گذارند: برخی از آنها آب دوست (قطبی) هستند که جذب آب می‌شوند. بعضی دیگر آب گریز (غیر قطبی) هستند و آب را دفع می کنند. برخی ترکیبات هردو گروه را دارند. زمانی که چنین ترکیبی به آب اضافه می‌شود بخش آب‌دوست سعی می کند به مولکول‌های آب نزدیک شود، در حالی که بخش آب گریز آنها را دفع می کند. این کشش و دفع مولکول های آب را از هم دور می کند که باعث کاهش کشش سطحی می شود. ترکیباتی که کشش سطحی آب را کاهش می دهد «مواد سطح فعال» نامیده می شوند.
مواد و وسایل مورد نیاز:
شیر
بشقاب یا ظرفی با عمق کم مانند ظروف آلومینیومی (مطمئن شوید که کف ظرف صاف باشد)
رنگ های خوراکی آبی، زرد، قرمز و سبز. رنگ های دیگر نیز می تواند استفاده شود تا چیزی غیر از رنگین کمان چهار رنگ درست کنید.
گوش پاک کن
مایع ظرفشویی یا مواد شوینده لباس
دستمال کاغذی (به منظور پاک کردن پس از انجام آزمایش)
آماده‌سازی:
چون این فعالیت شامل شیر رنگی می باشد بهتر است در فضای بیرون خانه انجام شود یا بر روی سطحی انجام شود که در صورت ریخته شدن رنگ مشکلی پیش نیاید. انجام آزمایش در نزدیکی سینک ظرفشویی یا شلنگ کار را برای تمیز کردن در پایان کار آسان تر می کند.
روش کار:
شیر را به آرامی به ظرف اضافه کنید تا کف ظرف کاملاً پوشیده شود. برای مدتی صبر کنید تا شیر در ظرف پایدار شود.
یک قطره از هر رنگ را به شیر اضافه کنید به شکلی که خطی افقی از قطرات در نزدیک کف ظرف شکل بگیرد. برای ساختن رنگین کمانی چهار رنگ، رنگ ها را به ترتیب زیر اضافه کنید، از چپ به راست: قرمز، زرد، سبز و سپس آبی. فکر می کنید که رنگ ها چگونه رنگین کمان می شوند؟
یک سمت گوش پاک کن را درست در پایین وسط خط قطره ها بر روی شیر بزنید. چه اتفاقی می افتد؟
سمت دیگر گوش پاک کن را آغشته به مایع ظرفشویی کنید و مانند دفعه ی قبل درست به همان جا بزنید. این بار چه اتفاقی می افتد؟
سعی کنید سمت آغشته به مایع ظرفشویی گوش پاک کن را به قسمت های دیگر شیر بزنید. همزمان با اینکه گوش پاک کن را به شیر می زنید چه اتفاقی می افتد؟
سمت آغشته به مایع ظرفشویی گوش پاک کن را برای چند ثانیه در یک نقطه قرار دهید. چه اتفاقی می افتد؟ اگر گوش پاک کن را برای مدت طولانی در شیر قرار دهید آیا باز هم همان تأثیر را می‌بینید؟
آزمایش‌های تکمیلی:
این فعالیت را این بار با شیرهایی با مقدار متفاوت چربی (برای مثال بدون چربی، یک درصد، دو درصد، پر چرب و غیره) امتحان کنید. نتایج برای شیرهای مختلف چه فرقی می کنند؟
در این آزمایش شما یک رنگین کمان چهار رنگ دیده اید اما می توانید یک رنگین کمان هفت رنگ بسازید. به این منظور می‌توانید رنگ های خوراکی را با هم مخلوط کنید تا رنگ های نارنجی، نیلی و بنفش را بسازید و سپس به خط قطرات در بشقاب اضافه کنید. برای مثال، می توانید یک قطره از رنگ قرمز را با یک قطره از رنگ زرد مخلوط کنید و رنگ نارنجی را درست کنید. آیا می توانید به این روش رنگین کمان هفت رنگ بسازید؟
در این فعالیت از شیر استفاده کردید اما می توانید از مایعات دیگر مانند آب، نوشابه یا کره آب شده نیز استفاده کنید. آیا همان نتایج را می‌گیرید؟
مشاهده و نتیجه‌گیری:
آیا دیدید که با زدن گوش پاک کن آغشته به مایع ظرفشویی به درون شیر برای ساختن رنگین کمان چهار رنگ، رنگ‌های خوراکی از گوش پاک کن دور شدند؟
زمانی که قسمت تمیز گوش پاک کن را درون شیر می زنید نباید تغییری ببینید. زمانی که سمت آغشته به مایع ظرفشویی را درون شیر می زنید باید دیده باشید که رنگ های خوراکی از گوش پاک کن دور می شوند. به دلیل این که یک خط از قطرات رنگ های خوراکی در شیر ساخته شده است با زدن گوش پاک کن آغشته به مایع ظرفشویی به درون شیر یک رنگین کمان چهار رنگ تشکیل می شود که به صورت رگه رگه و چرخان از گوش پاک کن دور می شود.
مواد شوینده ای مانند مایع ظرفشویی معمولاً مواد سطح فعال هستند. این مواد می توانند کشش سطحی آب و شیر را که از آب و مولکول های چربی تشکیل شده است کاهش دهند. مواد سطح فعال دارای یک قسمت آب دوست می باشند که می‌خواهد با مولکول های آب ارتباط برقرار کند و دارای یک قسمت آبگریز که می خواهد با مولکول های چربی ارتباط برقرار کند. به همین دلیل زمانی که گوش پاک کن آغشته به مایع ظرفشویی را درون شیر می زنید مایع ظرفشویی چربی و آب را در شیر از هم جدا می کند. (به همین روش مواد شوینده ظروف روغنی و کثیف را تمیز می کند.) همچنین کشش سطحی شیر کاهش می یابد. زمانی که مایع ظرفشویی از گوش پاک کن پخش می شود کشش سطحی شیر در اطراف آن کاهش می یابد و شیر با کشش سطحی بالاتر آن را به همراه مواد رنگی خوراکی به سمت خود می کشد. اگر مایع ظرفشویی کافی افزوده شود و شیر و مایع ظرفشویی به شکل برابر آمیخته شوند شیر و مواد رنگی خوراکی دیگر حرکت نمی کنند.
تمیز کردن:
شیر رنگ شده را نخورید زیرا حاوی مواد شوینده می باشد. در عوض، آن را به آرامی درون سینک بریزید به گو نه ای که به اطراف نریزد. (همزمان که آن را داخل سینک می‌ریزید آب را هم باز کنید.) اگر برای این منظور نیاز دارید تا ظرف را تکان دهید بهتر است چند دستمال کاغذی درون ظرف بیاندازید تا شیر رنگی را جذب خود کند و از ریختن آن جلوگیری کند.
منابع مفيد:
شيمي سطح - کشش سطحي - ماده فعال سطحي - سورفکتانت چيست؟ (تبيان)
Surfacetants - Surface Tension (MIT)
کشش سطحي آب
