مفاهیم کلیدی: شیمی، واکنش شیمیایی، سورفاکتانت (عامل فعال سطحی)
مشاهده علمی ۱۸۵
مقدمه:
اگر در منطقه‌ای زندگی می‌کنید که برف می‌بارد، می‌دانید که بازی با برف چقدر لذت بخش است و البته بعد از مدتی هوا بسیار سرد می‌شود! در این فعالیت علمی سرگرم کننده، شما می‌توانید با چیزی شبیه به برف در هر زمان از سال در منزل خود آزمایش انجام دهید. با مخلوط کردن برخی از مواد موجود در آشپزخانه شکلی با این برف خواهید ساخت و سپس هر زمان که خواستید می‌توانید آن را ذوب کنید تا به یک سطح سفید تبدیل شود. اگر در مورد شیمی این موضوع کنجکاو هستید فعالیت زیر را انجام دهید تا در این مورد بیشتر بیاموزید.
پیش‌زمینه:
تنها با استفاده از چند ماده‌ی مورد استفاده در آشپزخانه مانند جوش شیرین، سرکه و مایع ظرفشویی می‌توانید فعالیت علمی جالبی به منظور بررسی دو حوزه در شیمی انجام دهید.
سرکه (استیک اسید رقیق شده) در ترکیب با جوش شیرین (سدیم بی کربنات) نتیجه در دو سری واکنش شیمیایی دارد. محصول نهایی این واکنش‌ها کربن دی اکسید (گاز) و آب است که دو محصول شیمیایی دیگر (یون‌های سدیم و یون‌های استات) در آن حل شده‌اند. با مشاهده‌ی این واکنش گاز کربن دی اکسید را به صورت حباب‌هایی خواهید دید که به سطح مایع بالا می آیند و صدای وزوزی نیز تولید می‌شود.
مواد صابونی جنبه‌ی متفاوتی از علم شیمی را پوشش می‌دهند. این مواد دارای سورفاکتانت (عامل فعال سطحی) هستند. این عوامل سبب کاهش کشش سطحی مایع می‌شوند. بدین ترتیب این مواد به تشکیل فوم (کف) کمک می‌کنند. کف در واقع بسته-هایی از هوا یا گاز است که در لایه‌ای بسیار نازک از مایع حبس شده‌اند. در آب خالص کف تشکیل نمی‌شود زیرا مولکول‌های آب علاقه دارند در کنار هم باقی بمانند. حباب‌های هوایی که به سطح آب می‌رسند از این طریق فرار می‌کنند. اضافه کردن سورفاکتانت به آب به مایع صابونی اجازه می‌دهد پخش شود و حباب‌های هوا را حبس کند. در نتیجه یک لایه از فوم (کف) تشکیل می‌شود.
معمولاً اگریک مایع صابونی را به سرعت تکان دهیم هوا در آن حبس می‌شود. آیا گاز آزاد شده در اثر واکنش سرکه و جوش شیرین نیز حبس می‌شود و کف تشکیل می‌دهد؟ فعالیت علمی زیر را انجام دهید تا پاسخ این سوال را بیابید.
مواد و وسایل مورد نیاز:
دو ظرف پلاستیکی بزرگ
پیمانه‌ی اندازه‌گیری
جوش شیرین
قاشق برای اندازه‌گیری: یک قاشق غذاخوری و یک قاشق چای‌خوری
کاغذ نوت چسب دار (استیکی نوت)
مداد یا خودکار
مایع ظرفشویی
سرکه
چند وسیله‌ی ضد آب کوچک برای تزیین چیزی که می‌سازید (اختیاری)
آماده‌سازی:
یک محیط کار انتخاب کنید که خیس و کثیف شدن آن مشکلی نداشته باشد.
روی یک کاغذ کلمه‌ی صابون را بنویسید و آن را روی یکی از ظرف‌های پلاستیکی بچسبانید.
روش کار:
یک پیمانه جوش شیرین در هر دو ظرف پلاستیکی بریزید.
سه قاشق غذاخوری آب به ظرف بدون برچسب اضافه کنید و مواد داخل آن را هم بزنید تا یک خمیر تشکیل شود. خمیر تشکیل شده باید شبیه خمیر بازی باشد. برای دقت بیشتر می‌توانید مقادیر بسیار کم آب را در هر بار به ظرف اضافه کنید و محتویات ظرف را هم بزنید. اگر خمیر بیش از حد خشک است مجدداً آب اضافه کنید و همین روند را ادامه دهید تا به حالت مد نظر دست پیدا کنید.
حال با خمیر به دست آمده یک آدم برفی، خرس یا هر شکل دیگری که دوست دارید بسازید. می‌توانید آن را با اجسام ضد آب تزیین کنید. شکلی که می‌سازید را در همان ظرف قرار دهید.
اکنون زمان کار با ظرف پلاستیکی برچسب دار رسیده است. یک قاشق چای خوری مایع ظرفشویی به جوش شیرین اضافه کنید. سپس سه قاشق غذاخوری آب داخل ظرف بریزید.
محتویات ظرف را با هم مخلوط کنید تا خمیر تشکیل شود. می‌توانید مانند قبل آب را کم کم اضافه کنید تا خمیر به حالت ایده‌آل برسد.
آیا این خمیر مانند خمیر اولی است که درست کردید؟
حال با این خمیر نیز یک شکل درست کنید. می‌توانید آن را شبیه به اولی یا کاملاً متفاوت از آن بسازید اما سعی کنید ابعاد و ارتفاع دو جسم یکسان باشد. این جسم را نیز می‌توانید با وسایل ضد آب تزیین کنید. پس از اتمام ساخت، آن را در همان ظرف قرار دهید.
در مرحله‌ی بعد چیزهایی که ساختید را با روشی سرگرم کننده ذوب خواهید کرد: روی آنها سرکه می‌ریزید (الان این کار را انجام ندهید!). آیا می‌توانید پیش‌بینی کنید چه اتفاقی رخ خواهد داد؟ به خاطر داشته باشید که ماده‌ی اصلی تشکیل دهنده‌ی خمیر جوش شیرین است. آیا تا به حال جوش شیرین را با سرکه مخلوط کرده‌اید؟ چه اتفاقی در این حالت میافتد؟ به نظرتان اکنون نیز همین اتفاق رخ می‌دهد؟
یک پیمانه سرکه را یک باره روی شکل اولی که ساختید بریزید. چه اتفاقی میافتد؟ چه چیزهایی مشاهده می‌کنید و چه صداهایی می‌شنوید؟ آیا این اتفاق را پیش‌بینی می‌کردید؟
حال یک پیمانه سرکه را روی شکل دوم بریزید. این بار چه اتفاقی میافتد؟ چه صداهایی می‌شنوید و چه چیزی می‌بینید؟
چه چیزی بین دو ظرف متفاوت و چه چیزی مشترک است؟ به خاطر می‌آورید که چه تفاوتی در مواد اولیه‌ی خمیر وجود داشت؟ آیا این تفاوت می‌تواند دلیل مشاهدات شما را توضیح دهد؟
به احتمال زیاد نیمی از شکلی که ساختید خراب می‌شود و نیم دیگر آن باقی می‌ماند. حال چیز دیگری را امتحان کنید: اگر به جای سرکه روی شکل‌ها آب بریزید چه اتفاقی میافتد؟
پیمانه را بشویید و داخل آن آب پر کنید. تمام آن را یک باره روی چیزی که از شکل خمیری اول باقی مانده است بریزید. چه اتفاقی میافتد؟ آیا به اندازه‌ی حالتی که سرکه ریخته بودید هیجان انگیز است؟
مجدداً پیمانه را با آب پر کنید. تمام آن را یک باره روی باقی مانده‌ی شکل خمیری دوم بریزید. چه مشاهده می‌کنید؟
اگر همچنان مقداری از شکل‌های خمیری‌تان باقی مانده است، می‌توانید ریختن این دو مایع با سرعت‌های کمتر را امتحان کنید. تعدادی از خمیر را در دستانتان نگه دارید و در حالی که دستتان بالای ظرف است روی خمیر سرکه یا آب بریزید. چه چیزی احساس می‌کنید؟
آزمایش تکمیلی:
می‌توانید این فعالیت را با ریختن مایعات دیگر امتحان کنید، مانند آب لیمو، نوشابه یا شیر. به نظرتان چه اتفاقی رخ خواهد داد، چرا؟
مشاهده و نتیجه‌گیری:
آیا با ریختن سرکه هر دو شکل خمیری به سرعت صدای وزوز تولید می‌کنند؟ وقتی سرکه با جوش شیرین تماس پیدا می‌کند، دو سری واکنش شیمیایی رخ می‌دهد. حاصل این واکنش‌ها گاز کربن دی اکسید به صورت حباب است که در محلول آب بالا می آید. این حباب‌ها باعث ایجاد صدای وزوزی می‌شود که می‌شنوید.
هر چه که از شکل خمیری باقی بماند (خمیر بدون مایع ظرفشویی) احتمالاً در محیطی پر از محلول آب حباب‌دار قرار می‌گیرد که حباب‌ها با رسیدن به سطح می‌ترکند. احتمالاً چیزی که در مورد ظرف دیگر مشاهده کرده‌اید متفاوت است. باقی مانده‌ی شکل خمیری دوم که حاوی مایع ظرفشویی بود توسط لایه‌ای سفید از کف احاطه می‌شود. مواد شوینده دارای عوامل فعال سطحی هستند. این عوامل به محلول‌های صابونی امکان پخش شدن را می‌دهند. حباب‌های تشکیل شده در این واکنش‌های شیمیایی همچنان به سطح می‌رسند اما در این حالت محلول صابونی پخش می‌شود و گازها را حبس می‌کند و سبب تشکیل کف می‌شود.
از آنجا که آب با جوش شیرین واکنش نمی‌دهد، با ریختن آب روی شکل‌های خمیری تنها کمی از خمیر شسته می‌شود و هیچ صدای خاصی تولید نمی‌شود. اسیدهای دیگر، مانند اسیدهای موجود در آب‌لیمو نیز باعث ایجاد صدای وزوز در خمیر می‌شوند. محلول‌های خنثی (مانند آب) یا محلول‌های قلیایی (مانند شیر) باعث ایجاد واکنش شیمیایی نمی‌شوند در نتیجه با ریختن این نوع مایعات روی شکل‌های خمیری هیچ صدای وزوزی تولید نمی‌شود.
تمیز کردن:
محلول‌های مایع را در سینک ظرفشویی بریزید. خمیرهایی که ساختید را نیز در سطل زباله بیندازید.
منبع:
Scientific American
منابع مفید:
چرا رنگ برف سفید است؟
کشش سطحی