رفع مكعبات الثلج بمساعدة الكيمياء

المفاهيم الأساسية

الكيمياء

التجمد

الذوبان

خفض نقطة التجمد

مقدمة

هل سبق لك أن تساءلت لماذا يُستخدم الملح لإزالة الثلوج عن الطرق؟ وهل تعلم أن الثلوج تلتصق بسهولة أكبر بالأرصفة المُعالَجة بالملح؟ لماذا يحدث ذلك؟ في هذا النشاط، سوف نستخدم المبادئ نفسها في التقاط مكعبات من الثلج باستخدام خيط. هل يمكنك فعل ذلك من دون أن تبرد يداك؟ استمتع بهذا النشاط وانظر ماذا يمكن لقليل من الملح أن يفعل!

الخلفية العلمية

يتكون الماء من كتل بنائية صغيرة تسمى الجزيئات. وجزيئات الماء تلك لا تبقى ساكنة؛ فهي تتذبذب وتتحرك طوال الوقت. وتُعَد درجة حرارة الماء مقياسًا لمقدار حركة هذه الجزيئات. فعندما تُبرّد الماء فإنك بذلك تخفض درجة حرارته، ومن ثَم تتباطأ حركة جزيئاته. وفي النهاية، بعد تبريد الماء بما يكفي، تكون حركة الجزيئات ضئيلةً للغاية بحيث إنها تستطيع تكوين روابط قوية، ومن ثم يتجمد الماء، ويتحول إلى ثلج، وهي الصورة الصلبة للماء. وبالنسبة للماء النقي، يحدث هذا التحول عند درجة صفر مئوي تقريبًا (أو 32 درجة بمقياس فهرنهايت). وعلى العكس من ذلك، إذا أضفت الحرارة إلى قطعة من الثلج، فسوف تبدأ جزيئات الماء في الاهتزاز أكثر، وفي النهاية تزداد حركتها كثيرًا بحيث لا يمكنها أن تبقى مرتبطة ببعضها، ومن ثَم يذوب الجليد، ويتحول إلى سائل مرةً أخرى. غير أن هذه التحولات لا تحدث على الفور؛ إذ يمكن أن يوجَد الماء والثلج معًا. (ويعني هذا أن مكعب الثلج بالكامل لا يتحول إلى ماء سائل دفعة واحدة). ولكي يمكنك تخيل هذه العملية، يمكنك التفكير في مجموعة من الأطفال المتحمسين –إنهم يتحركون ويتقافزون كثيرًا، مثل جزيئات الماء في درجة حرارة مرتفعة. وكلما زادت حماستهم، زادت حركتهم. وإذا عملت على تهدئتهم فستتباطأ حركتهم تدريجيًّا مثلما تتباطأ حركة الجزيئات عند تقليل درجة الحرارة. وفي النهاية، يمكنك أن تجعل هؤلاء الأطفال يمسك بعضهم بأيدي بعضٍ ويقفون صفًّا على نحوٍ لطيف، وهكذا يتصرفون مثل مادة صلبة.

عندما يكون الماء غير نقي، لا يمكن لجزيئات الماء الاتصال بسهولة لتشكيل مادة صلبة؛ إذ تقف جسيمات أخرى حائلًا دون ذلك. وهذا هو السبب الذي يجعل درجات تجمُّد محاليل الماء المالحة أو السكرية أو غيرها -درجات الحرارة التي يتحول عندها الماء إلى الحالة الصلبة- تكون أقل من درجة الصفر المئوي. ويفسر ذلك السبب في أن معالجة الطرق بالملح في الشتاء يمكن أن يمنع تشكُّل الجليد عليها. فالملح يذوب في الماء، خافضًا لنقطة التجمد، بحيث لا يتحول الماء إلى ثلج إلا عند درجات حرارة أقل كثيرًا من درجة الصفر المئوي. وفي هذا النشاط، سوف تستخدم هذه الخاصية بطريقة بارعة لالتقاط مكعب من الثلج.

المواد المستخدمة:

• مكعبات ثلج
• ثلاثة أكواب
• ماء بارد
• ملح
• ثلاثة خيوط طول كلٍّ منها 20 سنتيمترًا (خيوط الغزل تعمل جيدًا).
• ورقة ملحوظات لاصقة
• ساعة أو مؤقت
• ميزان حرارة (اختياري)

الإعداد للتجربة:

• اجمع كل مواد التجربة على سطح يمكنه تحمُّل الانسكابات.

• املأ الأكواب الثلاثة بماء بارد

الخطوات:

• ضع بعض مكعبات الثلج في أول كوب ماء. سوف تراها تطفو لأن الثلج أقل كثافةً من الماء.
• ابحث عن مكعب يكون سطحه عند مستوى الماء تقريبًا. ضع طرف أحد الخيوط على هذا المكعب. هل تعتقد أن الثلج سوف يلتصق بالخيط؟
• ارفع الخيط. هل يلتصق مكعب الثلج بالخيط؟ لماذا تظن أنه لا يلتصق؟
• هل لديك أفكار حول كيفية رفع مكعب الثلج بالخيط، دون لمس المكعب بيديك؟
• حاول مرةً أخرى، ولكن الآن، انثر بعض الملح فوق الخيط ومكعب الثلج. هل تعتقد أن الثلج سوف يلتصق بالخيط إذا رفعته؟
• ارفع الخيط. هل يلتصق مكعب الثلج بالخيط؟ إن الملح ليس غراءً على أي حال، أليس كذلك؟
• ماذا تعتقد أنه سيحدث إذا تركت مكعب الثلج معلقًا بالخيط لمدة دقائق قليلة؟
• خذ الكوبين الآخرَين المملوءين بالماء، وأضف بعض مكعبات الثلج إلى كل كوب.
• بالنسبة لكلا الكوبين، ضع طرف الخيط على مكعب ثلج يكون سطحه عند مستوى سطح الماء تقريبًا، واترك الطرف الآخر من الخيط معلقًا فوق حافة الكوب.
• انثر الملح على الخيط ومكعب الثلج في أحد الاكواب، وميِّز هذا الكوب بورقة الملحوظات اللاصقة. انتظر مدة دقيقتين إلى ثلاث دقائق. هل تعتقد أن الثلج سوف يلتصق بالخيط بعد أن تتركه لبعض الوقت؟ هل سيلتصق مكعبا الثلج في كلا الكوبين، أم أحدهما فقط، أم لن يلتصق أيهما؟ ولماذا سيحدث ذلك؟
• بعد حوالي دقيقتين إلى ثلاث دقائق، ارفع الخيطين واحدًا وراء الآخر. هل يمكن للخيط أن يلتقط مكعب الثلج؟ هل يمكنك شرح ما تراه؟ إذا لم تتمكن من التقاط مكعبات الثلج، فحاول مرةً أخرى ولكن انتظر وقتًا أطول هذه المرة.
• نشاط إضافي: جرّب بعض المواد الأخرى، مثل السكر أو ألوان الطعام. هل يمكن لهذه المواد أن تجعل مكعب الثلج يلتصق بالخيط؟
• نشاط إضافي: اصنع حوضين متطابقين من الماء والثلج. أضف المزيد من الملح إلى أحدهما، واترك الآخر كما هو. قس درجة حرارة كل حوض كل دقيقة خلال الدقائق الخمس التالية. مثِّل النتائج على رسم بياني. ماذا تلاحظ؟ هل أحدهما أكثر برودةً من الآخر؟ لماذا يحدث ذلك؟
• نشاط إضافي: هل يمكنك إعادة إنشاء جبل جليدي صغير وسط محيط من الماء المالح في وعاء في المنزل؟ ما درجات الحرارة التي يمكن أن تمنع “جبل الجليد” من الذوبان وتمنع “المحيط” من التجمد؟

الملحوظات والنتائج

هل أمكنك رفع مكعب الثلج الذي نثرت عليه الملح وتركته بضع دقائق؟ هل فشلت في التقاط المكعب في جميع الحالات الأخرى؟ لماذا يحدث ذلك؟ أولًا، يذوب الثلج حول الخيط عندما تنثر عليه الملح، ثم يتجمد الخيط مع مكعب الثلج.

لعلك تتساءل لماذا يحدث ذلك فقط عندما تنثر الملح فوق مكعب الثلج والخيط. عندما تنثر الملح على الثلج، يذوب الملح في طبقة الماء الرقيقة فوق الثلج. ولمَّا كان الماء المالح يتجمد عند درجة حرارة أقل من الماء النقي، فإن إضافة الملح تجعل بعض الثلج يذوب ويمتص الحرارة في أثناء ذلك. ومن ثَم فإن المنطقة المحيطة بالثلج تبرد وتتجمد فيها جزيئات الماء مع مكعب الثلج، وكذلك تجعل الخيط يتجمد ملتصقًا بالمكعب. أما من دون الملح، فيظل الماء والثلج معًا في درجة الحرارة نفسها، ولا يتجمد الخيط ليلتصق بمكعب الثلج. وفي كلتا الحالتين، يذوب مكعب الثلج تدريجيًّا مع امتصاص الحرارة من الهواء المحيط به، ولكن من دون الملح، لا يمكن للخيط أن يتجمد ليلتصق بالمكعب.

إذا استخدمت السكر، ستلاحظ نفس التأثير. سوف يلتصق المكعب بالخيط. كذلك فإن إذابة مواد أخرى في الماء من شأنها أيضًا أن تخفض نقطة التجمد وتُحدث الأثر نفسه.

تنظيف محيط التجربة

صب الماء ومكعبات الثلج في الحوض، واغسل الأكواب.