در یک روز گرم تابستانی، وقتی می خواهید یک نوشیدنی خنک بنوشید، چند تکه یخ به لیوان خود اضافه می کنید تا به دمای مطلوب برسد. اما آیا تا به حال به سرعت ذوب شدن تکه های یخ در نوشیدنی خود توجه کرده اید؟
مشاهده علمي ۱۱۰
مفاهیم کلیدی: آب، یخ، شیمی، محلول ها، فاز(حالت) ماده
مقدمه:
در یک روز گرم تابستانی، وقتی می خواهید یک نوشیدنی خنک بنوشید، چند تکه یخ به لیوان خود اضافه می کنید تا به دمای مطلوب برسد. اما آیا تا به حال به سرعت ذوب شدن تکه های یخ در نوشیدنی خود توجه کرده اید؟ چطور می توان سرعت ذوب شدن یخ را در مایع سریع تر یا کندتر کرد؟ در این آزمایش، شما با استفاده از چند ماده معمول مورد استفاده در آشپزخانه، به این سوال پاسخ خواهید داد: چگونه می توان با بیشترین سرعت و در کمترین زمان ممکن، تکه های یخ را ذوب کرد؟
پیش نیاز:
بر خلاف تصور عموم، دما تنها عامل موثر بر ذوب و انجماد مایعات نیست. اگر تا به حال بستنی خانگی درست کرده باشید، احتمالاً می دانید که برای منجمد کردن مخلوط بستنی، نیاز به مخلوط یخ و نمک دارید. به طور مشابه، اگر در جایی زندگی می کنید که آب و هوا سرد است، می بینید که برای جلوگیری از یخ زدن خیابان ها بعد از یک برف سنگین، شن و ماسه را همراه با نمک در سطح خیابان ها می پاشند.
در هر دوی این مثال ها، نمک نقطه ی انجماد آب را پایین می آورد که به این معنی است که آب برای یخ زدن باید به دمای کمتر برسد و در واقع سردتر شود. در مورد درست کردن بستنی در خانه، مخلوط یخ و نمک می تواند در مقایسه با یخ خالی به دماهای پایین تری برسد و در نتیجه قابلیت این را پیدا می کند که مخلوط بستنی را منجمد کند. در مورد نمکی که در خیابان های برفی پاشیده می شود کاهش نقطه ی انجماد به این معنی است که یخ می تواند حتی زمانی که دمای هوا زیر نقطه ی انجماد هست نیز ذوب شود. هر دوی این مثال ها، کاهش نقطه ی انجماد را نشان می دهند.
محلول آب و نمک یک نمونه ی محلول شیمیایی است. در محلول یک جز حل شونده (در اینجا نمک) وجود دارد که در حلال ( در اینجا آب) حل می شود. اگر مواد دیگری با آب مخلوط شوند، می توانند باعث کاهش نقطه ی انجماد آن شوند. در این آزمایش بررسی خواهید کرد که نمک، شن و شکر روی نقطه انجماد آب تأثیر می گذارد.
مواد و وسایل لازم:
4 قطعه یخ مکعبی یک شکل و یک اندازه
4 عدد لیوان یک شکل و یک اندازه
نمک خوراکی
شکر
شن
قاشق غذاخوری برای اندازه گیری
آماده سازی:
چند قطعه یخ آماده کنید. اگر امکانات درست کردن آن را ندارید می توانید آنها را بخرید. دقت کنید که همه ی آنها باید یک شکل و یک اندازه باشند.
روش کار:
داخل هر لیوان یک تکه یخ بیندازید . دقت کنید که در هر 4 لیوان، قطعات یخ به شکل یکسان قرار بگیرند. (اگر از قالب چندتایی یخ استفاده می کنید، برای یکسان بودن قالب ها و جلوگیری از شکستن و خرد شدن آنها، بهتر است ابتدا قالب را برای مدت 5 دقیقه دردمای اتاق بگذارید تا تکه های یخ به آسانی از قالب جدا شوند.)
به آرامی به اندازه ی یک چهارم قاشق غذاخوری نمک روی یخ داخل یکی از لیوان ها بپاشید. سپس یک چهارم قاشق غذاخوری شکر در لیوان دوم بریزید و به همین مقدار شن در لیوان سوم. به لیوان چهارم هیچ چیزی اضافه نکنید تا از آن به عنوان نمونه ی کنترل استفاده کنید. فکر می کنید اضافه کردن نمک، شکر و شن چه تأثیری روی سرعت ذوب شدن یخ خواهد گذاشت؟
هر 4 لیوان را در محلی دور از تابش مستقیم نور آفتاب در کنار هم قرار دهید.
در بازه های زمانی 5 تا 10 دقیقه به طور مرتب لیوان ها را چک کنید و وضعیت یخ ها را مقایسه کنید. بعد از حدود 30 دقیقه کدام یخ بیشتر از همه ذوب شده است؟ کدام یک از یخ ها به طور کامل ذوب می شود؟ کدام آخر از همه ذوب می شود؟
به طور کلی، فکر می کنید که اضافه کردن شکر، شن و نمک چه تأثیری روی سرعت ذوب یخ گذاشته است؟ آیا می توانید دلیل این اتفاق را توضیح دهید؟
آزمایش‌هاي تکمیلی:
می توانید همین آزمایش را در دماهای مختلف انجام دهید. مثلا داخل یخچال یا در دماهای بالاتر مثلاً بیرون از خانه در یک روز گرم تابستانی. اضافه کردن نمک، شکر و شن در دماهای مختلف چه تأثیری روی سرعت ذوب یخ دارد؟
در آزمایشی که انجام دادید، مقدار یک چهارم قاشق غذا خوری نمک، شکر و شن به یخ ها اضافه کردید. حال می توانید مقدار های کمتر و بیشتر را امتحان کنید و بررسی کنید که آیا افزایش یا کاهش این مقدار تأثیری روی سرعت ذوب یخ دارد؟
از مواد دیگر به جای نمک، شکر و شن استفاده کنید. اضافه کردن آنها چه تأثیری روی ذوب یخ می گذارد؟ آن را سریعتر می کند یا کند تر؟
مشاهدات و نتیجه گیری:
آیا اضافه کردن نمک به یخ، باعث شد تا یخ سریع تر از حالت های دیگر ذوب شود؟
در این آزمایش با اضافه کردن نمک، شکر و شن سعی کردید تأثیر آنها بر سرعت ذوب یخ را مشاهده کنید. به بیان دیگر، بررسی کردید که آیا این مواد می توانند باعث کاهش نقطه ی ذوب یخ و در نتیجه ذوب شدن آن در دمایی کمتر از دمای حالت عادی شوند.
در این آزمایش باید مشاهده کرده باشید که قطعه یخی که به آن نمک اضافه کرده اید سریع تر از بقیه یخ ها ذوب می شود. دلیل این امر آن است که میزان کاهش نقطه ی انجماد یک ماده، به خاصیت شیمیایی ماده ای که به آن اضافه می شود بستگی ندارد، بلکه به تعداد مولکول هایی از آن ماده که در آب حل می شود وابسته است. ( که این یک مثال از خواص کولیگاتیو ماده است.) توضیح آن که: در یک حجم ثابت از نمک، شکر و شن تعداد مولکول های نمک بیشتر از شکر و شن است، زیرا اجزای تشکیل دهنده ی نمک بسیار کوچک تر از اجزای تشکیل دهنده ی شکر و شن هستند.
تمیز کردن:
دقت کنید که به هیچ وجه شن را در داخل سینک ظرفشویی نریزید چرا که باعث گرفتگی لوله ها می شود. حتماً آن را درون سطل زباله بریزید.
منابع مفيد:
جاده هاي آب و يخي-science kids / انجماد
خواص کوليگاتيو / حالات ماده
چگونه نمک برف را آب مي‌کند؟-highlightkids /