كيف تجمد فاكهتك باستخدام العلم؟

المفاهيم الرئيسية

الكيمياء

التبلور

التجميد

الجزيئات

مقدمة

مسابقة العلوم المبسطة: ماذا يحدث للماء عندما يصل إلى درجة صفر مئوية (32 درجة فهرنهايت)؟ الإجابة: إنه يتجمد! ولكن هل يتجمد الماء دائمًا عندما يصل إلى درجة الحرارة تلك؟ صدق أو لا تصدق، يمكن أحيانًا تبريد الماء إلى درجات حرارة أقل من درجة التجمد ومع ذلك يظل سائلًا. يكون الماء في تلك الحالة فائق البرودة. كيف يمكن أن يحدث ذلك؟ في هذا النشاط سوف تعمل على صنع مياه فائقة التبريد ثم تشرع في تحويلها من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة. سوف تقوم بذلك كله بينما تصنع لنفسك وجبة خفيفة ولذيذة!

خلفية

عندما يكون الماء دافئًا أو حتى في درجة حرارة الغرفة، تكون جزيئاته في حالة حركة مستمرة ويصطدم بعضها ببعض. وكلما زاد الماء دفئًا، ارتفعت طاقة جزيئاته وزاد معدل اصطدام بعضها ببعض. في المقابل، عندما يبرد الماء، تتحرك جزيئاته ببطء أكثر إلى أن تتوقف تقريبًا عن الحركة في نهاية الأمر. في حالة التجمد، تكون جزيئات الماء مرتبطة معًا في تركيبة بلورية منتظمة. ومن المعتقد أن هذه البلورات تتشكل حول الشوائب الموجودة في الماء مثل الغبار والمعادن. إلا أن الماء -لولا وجود تلك الشوائب- يمكن أن يصل إلى حالة البرودة الفائقة بعد تجاوزه درجة التجمد.

في هذا النشاط سوف نعمل على إنشاء حوض مياه باستخدام الملح والثلج. فإضافة الملح ينتج عنها حوض تقل درجة حرارته عن نقطة تجمد المياه، وهي ظاهرة تُعرف باسم “انخفاض درجة التجمد”. سوف نستخدم هذا الحوض للوصول بالمياه النقية التي تحيط به إلى درجة البرودة الفائقة. ثم سنُجري بعض التجارب الرائعة على تلك المياه!

المواد المطلوبة

• ثلج
• فاكهة طازجة، مقسمة إلى قطع كبيرة (على الأقل ثلاث قطع)
• أسياخ خشبية (ثلاثة على الأقل)
• كوبان طويلان ونظيفان من البلاستيك الشفاف
• وعاءان كبيران من المعدن أو الزجاج
• ميزانا حرارة (ترمومتر) (إذا لم يتوفر لديك سوى واحد فقط، يمكنك استخدامه بالتبادل بين الكوبين)
• مجمد
• ماء مقطر
• ساعة أو جهاز توقيت
• ملء أربع إلى خمس ملاعق مائدة من الملح
• ورق مقوى
• مقص (ومساعدة من شخص راشد إذا لزم الأمر)

 طريقة الإعداد

• ضع قطعة واحدة من الفاكهة في كل سيخ.
• ضع الأسياخ في المجمِّد مدة ساعتين.
• قص قطعتين من الورق المقوى بعناية على شكل دائرة، على أن تكون كل قطعة كبيرة بما يكفي لكي تَصلح غطاءً للكوب البلاستيكي.

خطوات العمل 

• املأ كل كوب من الكوبين الزجاجيين بالماء المفلتر حتى الثلث.
• ضع كل كوب في منتصف كل وعاء معدني كبير.
• غطِّ الكوبين البلاستیكیين بالغطاءين اللذين صنعتهما من الورق المقوى.
• أحط كل كوب بالثلج. تأكد من أن الثلج يحيط بالكوبين جيدًا وأن منسوبه يرتفع عن منسوب المياه داخل الكوبين. لا تضع أي ثلج داخل الكوبين.
• رش ملعقتين على الأقل من الملح فوق الثلج. لا تدع الملح يصل إلى داخل الكوبين.
• أزل أغطية الورق المقوى عن الكوبين.
• راقب درجة حرارة الماء في الكوبين باستخدام ميزاني الحرارة. إذا كان لديك ميزان حرارة واحد فقط، ضعه في أحد الكوبين حتى تصل حرارة الماء في ذلك الكوب إلى أقل من 30 درجة فهرنهايت. في تلك اللحظة يمكنك إزالة ميزان الحرارة والتحقق من درجة الحرارة في الكوب الآخر.
• بمجرد وصول درجة حرارة الماء إلى أقل من 30 درجة فهرنهايت (أو ما بين -1 و-3 درجات مئوية) يصبح الماء فائق البرودة! من المفترض أن يستغرق ذلك الأمر حوالي 45 دقيقة.
• أزِل مقياس الحرارة بحرص وضعه جانبًا.
• أخرج أسياخ الفاكهة المجمدة من الفريزر. ماذا تلاحظ في سطح الفاكهة؟ هل هناك ثلج عليها؟
• اغمس برفق قطعة من الفواكه (وهي لا تزال مثبتة في السيخ) في الكوب الأول المملوء بالماء فائق البرودة. شاهد ما يحدث لقطعة الفاكهة عندما تلمس الماء. ماذا تلاحظ بشأن الماء المحيط بالفاكهة؟ وماذا بشأن الفاكهة نفسها؟
• أزِل قطعة الفاكهة بحرص من الماء. انظر إلى قطعة الفاكهة. ماذا تلاحظ في سطحها؟
• إذا كانت هناك كمية متبقية من الماء في الكوب الأول، اختبر درجة حرارة ذلك الماء. انتظر حتى يصبح فائق البرودة مرة أخرى، ثم كرر هذه التجربة مع أسياخ الفاكهة المتبقية!
• بالنسبة للكوب الثاني، خذ قطعة جديدة من الثلج (من دون أي ملح عليها) وأسقطها بعناية في ذلك الكوب. ماذا يحدث للماء في ذلك الكوب عندما يصل الثلج إليه؟ كيف يمكن مقارنة ذلك بما حدث لقطعة الفاكهة؟

الملحوظات والنتائج

لقد قمت في هذا النشاط بعمل مياه باردة بالفعل، بل إنك صنعت مياهًا فائقة البرودة! لكي تفهم ما يعنيه ذلك، تخيل الجزيئات التي تشكل المياه في الكوبين. عندما يكون الماء دافئًا أو في درجة حرارة الغرفة، تتحرك تلك الجزيئات، ويصطدم بعضها ببعض، كما تصطدم بجوانب الكوبين.

إلا أنه عندما تُنزع الطاقة الحرارية من الماء في الكوبين، تتباطأ حركة تلك الجزيئات إلى أن تتوقف تقريبًا عن الحركة. عندما تتوقف تلك الجزيئات فعليًّا عن الحركة، فإنها تُكوِّن بلورات، كتلك التي تراها تُكوِّن الصقيع على زجاج نافذتك أو تتساقط من السماء في شكل رقاقات ثلجية. لا تتشكل تلك البلورات هكذا من تلقاء نفسها. فقبل أن تتكوَّن لديك بلورة، تحتاج إلى بذرة، أي إلى شيء تتعلق به جزيئات الماء في أثناء تنظيم نفسها. كانت المياه التي استخدمتها في الكوبين مياهًا مقطرة، وبالتالي خالية عمومًا من الملوِّثات والشوائب مثل الغبار والميكروبات. ونتيجة لذلك، لم يكن هناك أي شيء في الماء لكي تتبلور حوله الجزيئات. لذلك، بدلًا من أن تتبلور المياه عندما وصلت إلى نقطة التجمد، ظلت سائلة.

تغير ذلك عندما أضفت قطع الفاكهة ومكعب الثلج إلى الماء! فقد قامت الفاكهة والثلج بدور البذرة في الماء فائق البرودة؛ إذ مَنَحا جزيئات الماء شيئًا لتتبلور حوله. في حالة قطعة الفاكهة، قامت بلورات الثلج التي لاحظتها على سطح الفاكهة بدور البذرة. أما في الكوب الثاني فقد كان الثلج نفسه هو البذرة!