مفاهیم کلیدی: شیمی، دما، تبلور، کالیبراسیون
مشاهده علمی ۲۰۴
مقدمه:
کسانی که کیک و شیرینی می‌پزند می‌دانند که در روند پختن کیک و شیرینی باید در مرحله‌ای فر را تا دمای مشخصی پیش گرم کنند. اما اگر تا به حال سعی کرده باشید شیرینی بپزید و نتیجه‌ی جالبی نگرفته‌اید، ممکن است اشکال از فر باشد. برای مثال اگر دمای فر را روی ۳۵۰ فارنهایت تنظیم کنید، از کجا می‌توانید متوجه شوید که داخل فر واقعاً به آن دما می‌رسد؟
برای این منظور می‌توانید از دماسنج یا شکر استفاده کنید. به دلیل اینکه می‌دانیم شکر (ساکاروز) در چه دمایی ذوب می‌شود، می‌توانیم دقت یک فر را با بررسی این که آیا شکر در دمای تنظیم شده برای فر که مطابق با دمای ذوبش است ذوب می‌شود یا خیر تست کنیم. در این فعالیت علمی شما با استفاده از شکر یک دماسنج فر خانگی می‌سازید و فر خود را با آن بررسی خواهید کرد.
پیش‌زمینه:
اگر کسی از شما بخواهد مواد خوراکی حاوی قند را نام ببرید احتمالاً می‌توانید مواد زیادی را مثال بزنید. آیا چغندر یکی از این مواد است؟ جالب است بدانید که پنجاه درصد شکر غذاهای ما از چغندر قند به دست می‌آید! منشأ بیشتر قندی که در مواد غذایی فرآوری شده می-خوریم چغندر قند و یا نیشکر است. اما استخراج و تصفیه‌ی شکر از این گیاهان تلاش زیادی لازم دارد. در واقع، فرآوری شکر به حدی پر هزینه و دشوار بود که تنها چند صد سال پیش شکر تصفیه شده ادویه‌ای ارزشمند و گران قیمت محسوب می‌شد که تنها افراد ثروتمند قادر به خرید آن بودند.
به منظور استخراج شکر از گیاه نیشکر یا چغندر قند، این گیاهان را در آب بسیار داغ خیس و با فشرده‌سازی عصاره‌ی شکر را استخراج می‌کنند. پس از سرد شدن، این عصاره تشکیل بلورهای شکر (ساکاروز) را می‌دهد که ما آن را خریداری می‌کنیم.
به دلیل اینکه فرآیند تولید شکر شامل گرمایش و سرمایش است، تولیدکنندگان شکر آموخته‌اند که نقطه‌ی ذوب شکر ۳۶۷ فارنهایت است. ما با داشتن این اطلاعات می‌توانیم دقت دمای فر خود را بررسی کنیم. در این فعالیت علمی متوجه خواهیم شد که آیا فر به دمای مطلوب ما می‌رسد یا خیر.
مواد و وسایل مورد نیاز:
فویل آلومینیوم (دو تکه‌ی مربع شکل در ابعاد شش در شش اینچ) شکر سفید (حداقل سه قاشق غذاخوری) سینی مخصوص فر دستکش آشپزخانه سه عدد بشقاب فر یک بزرگتر برای کمک در انجام آزمایش
آماده‌سازی:
در این فعالیت علمی شما با مواد بسیار داغ کار خواهید کرد. این کار را حتماً باید با کمک و تحت نظارت مستقیم یک بزرگتر انجام دهید. فر را تا دمای ۳۵۰ فارنهایت پیش گرم کنید. هر ضلع از فویل‌های مربعی را به ضخامت نیم اینچ به بالا تا کنید تا دو ظرف پخت کیک کوچک در ابعاد پنج در پنج اینچ و با ارتفاع نیم اینچ به دست بیاید. یک قاشق غذاخوری شکر به هر ظرف نمونه اضافه کنید.
روش کار:
یک قاشق غذاخوری شکر به هر ظرف نمونه‌ی آلومینیومی اضافه کنید. به ذرات شکر توجه کنید. چه کلمه یا کلماتی برای توصیف حالت فیزیکی شکر مناسب است؟
هنگامی که دمای فر به ۳۵۰ فارنهایت رسید، ظرف آلومینیومی اول را در آن قرار دهید.
تایمر را روی بیست دقیقه تنظیم کنید. یک قاشق غذاخوری شکر در یکی از بشقاب‌ها بریزید. همانطور که به این شکر نگاه می‌کنید به این فکر کنید که چه اتفاقی برای شکر داخل فر رخ خواهد داد. آیا حرارت باعث ایجاد تغییر در ظاهر شکر می‌شود؟ آیا حرارت تأثیری بر بو، مزه و حالت شکر خواهد داشت؟ چه مواد دیگری تحت تأثیر حرارت دچار تغییر می‌شوند؟
پس از اتمام بیست دقیقه شکر را از فر بیرون بیاورید و در یک بشقاب بریزید. به خاطر داشته باشید که شکر داغ است! آن را مورد بررسی قرار دهید. آیا تفاوتی با قبل از قرار گرفتن در فر کرده است؟ آیا پیش‌بینی شما در مورد آن درست بوده است؟
دمای فر را روی ۳۷۵ فارنهایت تنظیم کنید. هنگامی که فر به این دما رسید، ظرف نمونه‌ی دوم را در فر قرار دهید و تایمر را روی بیست دقیقه تنظیم کنید. به نظرتان چه اتفاقی برای شکر داخل این ظرف نمونه رخ خواهد داد؟ آیا وضعیت آن متفاوت از وضعیت نمونه‌ی اول خواهد بود؟
پس از گذشت بیست دقیقه ظرف نمونه‌ی دوم را از فر بیرون بیاورید و آن را در بشقاب سوم بریزید. مراقب باشید زیرا شکر داغ است.
بشقاب‌ها را کنار هم بگذارید و سه نمونه را با هم مقایسه کنید. چه تفاوتی میان دو نمونه‌ی پخته شده وجود دارد؟ دلیل این تفاوت‌ها چیست؟ نمونه‌های پخته شده در مقایسه با نمونه‌ی اول چگونه است؟ دلیل مشاهدات خود را توضیح دهید.
پس از خنک شدن نمونه‌ها مزه‌ی آنها را بچشید. طعم این سه نمونه چه تفاوتی با هم دارد؟
نکته: اگر تفاوتی میان ظاهر نمونه‌ها مشاهده نکرده‌اید، فعالیت زیر را بار دیگر با دمای ۴۰۰ فارنهایت برای فر انجام دهید.
آزمایش‌های تکمیلی:
این فعالیت را با دماهای متفاوت برای فر انجام دهید. سعی کنید به دمای ذوب شکر (۳۶۷ فارنهایت) نزدیک شوید. اگر شکر در حالتی که دمای فر روی ۳۶۵ فارنهایت تنظیم شده است ذوب نمی‌شود اما با تغییر دما به ۳۷۰ ذوب شکر اتفاق می‌افتد، نشان دهنده‌ی این است که فر شما دقت بسیار بالایی دارد.
می‌توانید نمونه‌های خود را از ظرف‌های آلومینیومی حاوی شکر به کاسه‌های مخصوص فر حاوی آب تغییر دهید تا دقت فر را در دماهای پایین‌تر بررسی کنید. نقطه‌ی جوش آب ۲۱۲ فارنهایت است پس می‌توانید فر را روی دماهای ۲۰۰ و ۲۲۵ فارنهایت تنظیم کنید. آب در چه دماهایی در فر می‌جوشد؟ تمام این فعالیت‌ها را حتماً با کمک و زیر نظر یک بزرگتر انجام دهید.
مشاهده و نتیجه‌گیری:
در این فعالیت علمی شما دو نمونه‌ی مختلف از شکر را در دو دمای مختلف فر پختید. با دانستن این موضوع که ساکاروز دقیقاً در ۳۶۷ فارنهایت ذوب می‌شود، این امکان برای ما فراهم می‌شود که از شکر به عنوان یک دماسنج بسیار ساده استفاده کنیم. اگر فر شما دقت بالایی داشته باشد، پختن شکر در آن در دمای ۳۵۰ فارنهایت نباید تأثیر چندانی بر شکر بگذارد زیرا ۳۵۰ فارنهایت ۱۷ درجه پایین‌تر از دمای ذوب شکر است.
با این حال در مرحله‌ی دوم پختن شکر در دمای ۳۷۵ فارنهایت (که هفت درجه بالاتر از نقطه‌ی ذوب شکر است) سبب ذوب و تغییر ظاهر آن به حالتی شیشه‌ای مانند می‌شود. در صورت رخ دادن این اتفاق می‌توانید نتیجه بگیرید که فر شما دقت بسیار بالایی دارد.
چنانچه شکر در دمای ۳۷۵ فارنهایت ذوب نمی‌شود نگران نباشید. معنای این اتفاق این است که فر شما به خوبی کالیبره نشده است و به دمای مورد نظر نمی‌رسد. اگر فعالیت را در دمای ۴۰۰ فارنهایت انجام دهید و در این حالت نیز شکر ذوب نمی‌شود، بدان معناست که فر شما حداقل خطای سی درجه‌ای دارد. می‌توانید از این اطلاعات برای پخت بهتر مواد غذایی در فر استفاده کنید.
منبع:
Making a Sugar Thermometer (Scientific American)
منابع مفید:
دماسنج خانگی
خواص کولیگاتیو
چغندر
چغندر قند
نقش چربی در شیرینی پزی
شکلات
چغندر قند - ویکی پدیا
کالیبراسیون - ویکی پدیا