مفاهیم کلیدی: فیزیک، مخلوط، علم مواد، قطرات آب
مشاهده علمی ۱۷۸
مقدمه:
آیا تا به حال به حرکت قطره‌های باران روی شیشه‌ی پنجره توجه کرده‌اید؟ برخی از این قطرات تنها هستند و برخی دیگر به هم می‌پیوندند و قطره‌های بزرگتری تشکیل می‌دهند. آیا برایتان سوال شده است که چرا این قطره‌ها به شیوه‌های مختلف رفتار می‌کنند؟ کنترل پخش مایعات روی سطوح، یا خیس شدن، بسیار مهم است. در بعضی کاربردها به سطحی با خاصیت دفع مایع نیاز دارید، مانند کاپشن ضد آب.
در موارد دیگر نیاز دارید مایع به طور یکدست روی سطح پخش شود، مانند رنگ دیوار. اما آیا می‌توان رفتار قطره‌های آب روی سطحی خاص را پیش‌بینی کرد؟ این قطره روی سطح نیز به صورت قطره باقی می‌ماند یا پخش می‌شود؟ پیش‌بینی رفتار در حالتی که آب همراه با ماده‌ای دیگر باشد بسیار پیچیده‌تر است. در مواردی نتایج غیر منتظره و جالب حاصل می‌شوند. فعالیت علمی زیر را انجام دهید تا خودتان این موضوع را تجربه کنید.
پیش‌زمینه:
چه چیزی تعیین کننده‌ی رفتار یک مایع روی سطوح است؟ پاسخ به نظر آسان است: رفتار وابسته به نوع مایع و سطح است. سطوح مختلف دارای ساختارهای مولکولی متفاوت هستند که روی رفتار آب یا مایعات دیگر بر روی آنها تأثیرگذار است. موادی مانند شیشه که آب را به خود جذب می‌کنند هیدروفیل یا آبدوست نام دارند و آب روی این سطوح به آسانی پخش می‌شود. سطوح دیگر مانند تفلون یا برگ گیاهان رفتاری درست مخالف این دارند و آب‌گریز یا هیدروفوب نام دارند. آب روی این سطوح به صورت قطره درمی‌آید. شکل قطره روی هر سطح اطلاعات زیادی در مورد خواص این سطح بیان می‌کند.
در مایعات کشش سطحی خاصیت تعیین کننده‌ی شکل قطره‌هاست. مولکول‌های مایع در یک قطره علاقه دارند به مولکول‌های اطراف خود بچسبند. بدین ترتیب مولکول‌های داخل قطره به هم متصل هستند. اما در سطح قطره تعداد مولکول‌های مایع کمتر است که این مسئله منجر به تشکیل پیوندهای قوی‌تر میان مولکول‌های سطحی می‌شود. با کشیده شدن مولکول‌های سطح به داخل قطره توسط مولکول‌های زیرین، قطره تشکیل می‌شود. ممکن است از کنار نمونه‌هایی از کشش سطحی مایعات بدون توجه عبور کرده باشید، مانند تشکیل قطرات کوچک آب بر روی پنجره، برگ گیاهان پس از بارش باران یا حرکت برخی حشرات روی سطح آب. در این فعالیت علمی به نمونه‌ای از اثرات کشش سطحی می‌پردازیم و عوامل موثر بر رفتار قطرات را بررسی خواهیم کرد
مواد و وسایل مورد نیاز:
- یک بزرگتر برای کمک در انجام آزمایش
- آب
- دستمال کاغذی مخصوص آشپزخانه
- کاغذ سفید
- شیشه‌ی مخصوص میکروسکوپ (لام) و انبردست (اختیاری)
- یک سطح شیشه‌ای صاف و مقاوم در برابر حرارت مانند ظرف پیرکس (کاملاً سالم و بدون ترک)
- رنگ خوراکی مایع (که ماده‌ی اصلی تشکیل دهنده‌ی آن پروپیلن گلیکول باشد.)
- قطره‌چکان
- دستگیره‌ی آشپزخانه
- اجاق گاز
- کاغذ مومی (wax paper)
- عینک ایمنی (برای حفاظت از چشم در هنگام انجام آزمایش)
- ماژیک دائمی
آماده‌سازی:
- چند دستمال کاغذی مخصوص آشپزخانه روی سطح کار خود پهن کنید تا از کثیف شدن آن جلوگیری شود.
- با کمک قطره‌چکان یک خط شامل پنج قطره آب روی کاغذ مومی بریزید. این قطره‌ها باید تقریباً هم اندازه باشند.
- یک رنگ خوراکی (آبی، سبز، قرمز یا زرد) انتخاب کنید و یک قطره‌ی غلیظ از این رنگ خوراکی از ظرف حاوی رنگ در کنار خط شامل پنج قطره آب بریزید.
- به کمک قطره‌چکان مقدار کمی رنگ از این قطره‌ی روی سطح بردارید و آن را به دقت داخل اولین قطره‌ی آب از پنج قطره بریزید. با داخل کشیدن و بیرون ریختن مرتب قطره توسط قطره‌چکان محتویات آن را به خوبی مخلوط کنید.
- حال مقدار کمی از این قطره‌ی اول را با قطره‌چکان بردارید و با دقت در قطره‌ی دوم از پنج قطره بریزید.
- همین مراحل را برای پنج قطره انجام دهید. در انتها باید شش قطره شامل غلظت‌های مختلف رنگ خوراکی داشته باشید.
- قطره‌چکان را با آب تمیز بشویید.
- این مراحل را با یک سری جدید از قطره‌های آب و یک رنگ خوراکی دیگر (آبی، سبز، قرمز یا زرد) انجام دهید. به خاطر داشته باشید که قبل از عوض کردن رنگ خوراکی و انجام این مراحل از ابتدا، حتماً قطره‌چکان را بشویید. کاغذ مومی را موقتاً کنار بگذارید، در مراحل بعدی به آن نیاز خواهید داشت.
- از بزرگتر خود بخواهید اجاق گاز را روشن کند.
- عینک‌های ایمنی خود را به چشم بزنید.
- از بزرگتر خود بخواهید ظرف پیرکس را با دستگیره نگه دارد. مساحتی در حدود سه در شش سانتیمتر از کف ظرف را به مدت ۳۰ تا ۴۵ ثانیه به آرامی از میان شعله عبور دهید. شعله باید به شیشه‌ی ظرف برخورد کند. محلی از ظرف که با شعله در تماس است را به خاطر بسپارید زیرا فعالیت خود را در این قسمت انجام می‌دهید. (توجه: هنگام عبور دادن ظرف از میان شعله بسیار دقت کنید. ترک‌های میکروسکوپی می‌توانند منجر به شکسته شدن ظرف هنگام قرار گرفتن در معرض حرارت شوند. حتماً از شیشه‌ی مقاوم به حرارت (پیرکس) استفاده کنید. تمام افراد حاضر در محل آزمایش باید عینک ایمنی به چشم داشته باشند.)
- اگر لام میکروسکوپ دارید، می‌توانید به جای ظرف پیرکس لام را به مدت سی ثانیه از شعله‌ی گاز رد کنید.
- مراقب باشید زیرا شیشه بسیار داغ می‌شود. با دقت ظرف پیرکس یا لام را روی سطح کار خود قرار دهید. (سمتی از شیشه که در تماس با شعله قرار داشته است باید رو به بالا باشد.) اجازه دهید شیشه به مدت ده دقیقه خنک شود.
روش کار:
- پس از اینکه شیشه کمی خنک شد، یک کاغذ سفید روی سطح کار خود قرار دهید. ظرف پیرکس یا لام را روی کاغذ بگذارید. به خاطر داشته باشید سمتی از شیشه که در تماس با شعله بوده است باید رو به بالا باشد.
- با قطره‌چکان تمیز یک قطره آب خالص روی سطح شیشه بریزید. چه اتفاقی برای قطره می‌افتد، آیا روی سطح پخش می‌شود یا شکل قطره‌ای خود را حفظ می‌کند؟
- حال قطره‌ای کوچک از قطره‌ی غلیظ رنگ خوراکی را با کمک قطره‌چکان از روی کاغذ مومی بردارید (هر رنگی که می‌خواهید) و با دقت آن را روی شیشه بریزید. رفتار این قطره چگونه است؟ آیا این قطره با قطره‌ی آب خالص تفاوت دارد؟ آیا تفاوتی دیگر میان این دو قطره مشاهده می‌کنید؟
- حال قطره‌ای از رنگ خوراکی با همین غلظت را در کنار قطره‌ی رنگ قبلی روی شیشه بریزید. این دو نباید در تماس با هم باشند اما فاصله‌ی میان‌شان باید حدود سه تا شش میلیمتر باشد. این دو قطره چه رفتاری دارند؟ آیا در جای خود ثابت هستند یا حرکت می‌کنند؟ اگر قطره‌ها حرکت می‌کنند، جهت حرکتشان چگونه است و چه اتفاقی برای آنها می‌افتد؟
(راهنمایی: اگر هیچ اتفاقی برای قطره‌ها رخ نمی‌دهد احتمالاً دمای شیشه پایین‌تر از حد مجاز است. در این صورت شیشه را پاک کنید و مجدداً آن را روی شعله گرم کنید. استفاده از لام بهتر از ظرف پیرکس است. همچنین می‌توانید محل قرار گرفتن دو قطره روی شیشه را عوض کنید زیرا در برخی قسمت‌ها نتیجه‌ی بهتری حاصل می‌شود.)
- قطره‌چکان را بشویید و یک قطره رنگ خوراکی غلیظ (هر رنگی که دوست دارید) روی سطح شیشه بریزید.
- مجدداً قطره‌چکان را بشویید. سپس با آن کم‌غلظت‌ترین قطره روی کاغذ مومی با رنگی متفاوت از قطره‌ی غلیظ را بردارید و در کنار قطره‌ی غلیظ روی شیشه بریزید، به طوری که دو قطره با همدیگر تماس نداشته باشند. رفتار این دو قطره مشابه با رفتار دو قطره‌ی غلیظ همرنگ است؟ تفاوت‌ها در چیست؟
- حال چندین قطره در رنگ‌ها و غلظت‌های متفاوت از روی کاغذ مومی بردارید و به صورت اتفاقی و رندوم روی سطح گرم شیشه بریزید. دقت کنید که قبل از تعویض رنگ یا غلظت قطره‌ها باید قطره‌چکان را بشویید. همچنین سعی کنید قطراتی با اندازه‌های مختلف روی شیشه تشکیل دهید. چه اتفاقی برای قطره‌ها رخ می‌دهد؟ آیا رنگ و غلظت سبب تغییر رفتار آنها می‌شود؟ آیا می-توانید الگوی رفتاری خاصی در مورد این قطره‌ها تشخیص دهید؟
- آیا می‌توانید روش‌های دیگری برای ایجاد تغییر در رفتار قطره‌ها روی سطح شیشه‌ای یا هر سطح دیگری پیدا کنید؟ قطره‌ها روی تمام سطوح حرکت نمی‌کنند، اما می‌توانید در شکل و نحوه‌ی پخش آنها روی سطوح تغییر ایجاد کنید. سطوحی مانند کاپشن ضد آب، برگ گیاهان، پلاستیک یا یک میز چوبی را امتحان کنید. به نظرتان وجود مواد صابونی، روغن زیتون یا الکل تغییری در شکل قطره‌های تشکیل شده روی سطوح ایجاد می‌کند؟ اگر زبری سطوح را تغییر دهید چه اتفاقی برای قطره‌ها می‌افتد؟ (رنگ‌های خوراکی و مواد روغنی روی سطوح ایجاد لک می‌کنند، در نتیجه هنگام استفاده از آنها مراقب باشید.)
مشاهده و نتیجه‌گیری:
در این فعالیت علمی باید انواع رفتارها را روی سطح شیشه‌ای مشاهده کرده باشید. به احتمال زیاد قطره‌ی آب خالص به سرعت روی سطح پخش می‌شود. حرارت دادن به شیشه سبب نامساعد شدن شرایط برای تشکیل قطره می‌شود و در نتیجه پخش شدن مایع روی آن محتمل‌تر است. با این وجود رنگ خوراکی غلیظ علاوه بر آب حاوی ماده‌ی شیمیایی به نام پروپیلن گلیکول است. ترکیب این دو ماده سبب تشکیل قطره‌هایی کروی‌تر می‌شود که باید متوجه آنها روی سطح شیشه‌ای شده باشید. آب سطحی در این قطره‌ها سریع‌تر از پروپیلن گلیکول تبخیر می‌شود و در عین حال کشش سطحی بیشتری نیز دارد. این تفاوت‌ها منجر به جریان متقارن آب در قطره می‌شود که باعث تثبیت قطره و جلوگیری از پخش آن می‌شود.
ممکن است مشاهده کرده باشید که قطره‌ی رنگ خوراکی کمی روی سطح شیشه‌ای حرکت می‌کند. با قرار دادن قطره‌ی دوم رنگ خوراکی در کنار قطره‌ی اول، این دو به هم نزدیک می‌شوند. دلیل این حرکت آن است که یک قطره بر تبخیر آب قطره‌ی دوم تأثیر می‌گذارد و جریان آب داخلی آن را نامتعادل می‌کند. نتیجه حرکت قطره‌ها به سوی هم در اثر عدم تعادل است. وقتی دو قطره به هم می‌رسند، ترکیب آب/پروپیلن گلیکول آنها رفتار دو قطره را تعیین می‌کند. اگر دو مخلوط یکسان باشند قطره‌ها به هم متصل می‌شوند و قطره‌ای بزرگتر تشکیل می‌دهند. اما اگر دو قطره رنگ خوراکی با غلظت‌های بسیار متفاوت را در کنار هم قرار دهید، مشاهده خواهید کرد که یک قطره به دنبال دیگری حرکت می‌کند. دلیل این اتفاق تفاوت در کشش سطحی دو قطره است. قطره‌ی با کشش سطحی کمتر (غلظت رنگ خوراکی بیشتر) به دنبال قطره‌ی با کشش سطحی بیشتر (غلظت رنگ خوراکی کمتر) حرکت می‌کند. با قرار دادن چندین قطره در غلظت‌ها و رنگ‌های مختلف حرکت‌های جالبی را روی سطح گرم شیشه مشاهده می‌کنید.
تمیز کردن:
ظرف پیرکس یا لام را به خوبی بشویید تا رنگ‌های خوراکی پاک شوند. سطح کار خود را با آب و صابون تمیز کنید و حتماً در انتهای کار دستان خود را بشویید.
منبع:
منابع مفید: