ألعاب نارية تحت الماء باستخدام علم الكيمياء

المفاهيم الأساسية

الكيمياء

المحاليل

الامتزاج

الكثافة

مقدمة

غالبًا ما يأتي فصل الصيف محملًا بعروض الألعاب النارية الجميلة. ومع أنه من المعتاد أن ننظر إلى السماء لمشاهدة الألعاب النارية، ففي هذا النشاط سوف نرى انفجار الألوان تحت الماء؛ وذلك… باستخدام علم الكيمياء. ورغم أن هذه الانفجارات ليست مثل الألعاب النارية الحقيقية بالضبط، فإنك ولا شك ستندهش من منظر انفجار الألوان الذي ستراه. هل تشعر بالفضول الآن؟ حسنًا، سترى بنفسك كيف يحدث هذا في هذا النشاط.

معلومات أساسية

إنك على الأرجح تعلم أن الزيت والماء لا يمتزجان، ولكن لماذا؟ تمتزج بعض السوائل بسوائل أخرى فينتج عن ذلك خليط متجانس، في حين لا يحدث الأمر نفسه مع سوائل أخرى، ويعتمد هذا على قابلية تلك السوائل للامتزاج. وتتحدد إمكانية امتزاج سائل معين بسائل آخر بناءً على التركيب الجزيئي الفردي لكل سائل. ويمكن تصنيف الجزيئات إلى جزيئات قطبية وغير قطبية. فعندما تجتمع الذرات معًا لتكوين جزيء، فإنها تتشارك الإلكترونات سالبة الشحنة في رابطة كيميائية، وفي بعض الأحيان تجذب ذرة معينة الإلكترونات بدرجة أكبر من غيرها من الذرات، مما ينتج عنه فصل طفيف للشحنة إلى قطب موجب وقطب سالب داخل الجزيء، ويسمى أيضًا ثنائي القطب الكهربائي. وعندما يحدث هذا، يكون الجزيء عادة جزيئًا قطبيًّا، أما الجزيئات التي لديها رصيد متساوي من الشحنات فتكون غير قطبية.

هناك قاعدة بسيطة يمكن أن تخبرك ما إذا كانت السوائل سوف تمتزج أم لا، وهي قاعدة أن “الشبيه يذيب الشبيه”؛ بمعنى أن السوائل ذات القطبية المتشابهة تكون قابلة للامتزاج في حين تكون السوائل ذات القطبية المختلفة غير قابلة للامتزاج. فالماء مثلًا سائل قطبي، وهو ما يعني أن جزيئاته ثنائية القطب الكهربائي، في حين أن الزيوت غير قطبية، ولذا فإنها لا تمتزج جيدًا بالماء. وعندما لا تمتزج السوائل فإنها تنفصل وتكوِّن طبقتين منفصلتين تطفو إحداهما فوق الأخرى، ويعتمد تحديد الطبقة التي ستعلو الأخرى على كثافة كل سائل. والكثافة مقياس للكتلة لكل وحدة حجم، وهو ما يعني أن السائل الأثقل وزنًا سوف يهبط إلى القاع بينما سيطفو السائل الأخف وزنًا على السطح. وفي هذا النشاط سوف نستخدم خصائص السوائل تلك في ابتكار انفجارات لونية جميلة في الماء تشبه الألعاب النارية التي نراها في السماء!

أدوات التجربة

• كوبان (أو كأسان) من الزجاج الشفاف
• زيت طعام (مثل الزيت النباتي أو الكانولا)
• ماء
• شوكة
• ملعقة صغيرة
• مُلوِّن غذائي (أي لون)
• قطارة أو ممص طبي
• وعاءان صغيران
• ملعقة كبيرة من ملاعق المائدة
• منطقة عمل لا ضرر من انسكاب المُلوِّن الغذائي والماء والزيت عليها.

الإعداد للتجربة

• املأ أحد الكوبين بماء في نفس درجة حرارة الغرفة.
• املأ الكوب الآخر بالزيت.

خطوات التجربة

• أضف في أحد الوعاءين الصغيرين ملعقة كبيرة واحدة من الزيت وأخرى من المُلوِّن الغذائي، ثم امزج السائلين باستخدام الشوكة. كيف يبدو السائل بعد مزج المحلولين؟ هل امتزج السائلان؟
• انقل كوب الماء إلى جوار الوعاء الصغير. اسحب كمية من مزيج الزيت والمُلوِّن الغذائي باستخدام القطارة أو الممصة الطبية وضع نقطة واحدة بحرص في كوب الماء. ما الذي يحدث لتلك القطرة عندما تسقط في الماء؟ هل تطفو القطرة على سطح الكوب أم تهبط إلى القاع؟
• أضف المزيد من قطرات المزيج إلى الماء حتى يصبح الوعاء الصغير فارغًا. هل يغير المُلوِّن الغذائي من لون الماء؟ كيف يبدو لون الماء؟ كم يستغرق تغيُّر لون الماء بالكامل؟
• امزج محتويات كوب الماء باستخدام الملعقة الصغيرة أو الشوكة. هل يبدو المحلول مختلفًا بعد المزج؟
• نظف القطارة أو الممص الطبي.
• أضف في الوعاء الصغير الثاني ملعقة كبيرة واحدة من الماء وأخرى من المُلوِّن الغذائي، ثم امزج السائلين باستخدام الشوكة أيضًا. كيف يبدو ذلك المحلول بعد المزج؟ هل السائلان قابلان للامتزاج؟
• انقل كوب الزيت إلى جوار الوعاء الصغير. اسحب كمية من مزيج الماء والمُلوِّن الغذائي باستخدام القطارة أو الممص النظيف وضع نقطة واحدة بحرص في كوب الزيت. ما الذي يحدث للقطرة هذه المرة؟ هل تطفو أم تهبط إلى القاع؟
• أضف المزيد من مزيج الماء والمُلوِّن الغذائي إلى الزيت. هل يتغير لون الزيت نتيجةً لإضافة المُلوِّن الغذائي؟ كيف يبدو المزيج؟
• في النهاية، امزج محتويات كوب الزيت باستخدام الملعقة الصغيرة أو الشوكة. ما وجه الاختلاف في المحلول بعد المزج؟
• نشاط إضافي: لرؤية انفجارات لونية أكثر تنوعًا أضف تشكيلة من المُلوِّنات الغذائية مع الزيت في وعاء صغير، ثم امزج قطرات المُلوِّن الغذائي في الزيت باستخدام الشوكة. وبدلًا من استخدام قطارة، هذه المرة صب مزيج الزيت والمُلوِّن الغذائي بأكمله بحرص في كوب الماء لصنع “انفجارات” لونية متعددة تحت الماء. ما الذي يحدث لمزيج الزيت والمُلوِّن الغذائي في كوب الماء؟
• نشاط إضافي: يمكنك تحويل هذا النشاط إلى مصباح “لافا” مضيء مصنوع في المنزل! استخدم زجاجة بلاستيكية فارغة عبوة لتر واحد أو لترين واملأها بالماء حتى مستوى 5 سم تقريبًا، ثم أضف بضع قطرات من المُلوِّن الغذائي واملأ باقي الزجاجة بالزيت النباتي. ثم أضف ما يقرب من ربع قرص من الدواء المعروف باسم “ألكا سيلتزر” Alka-Seltzer. ماذا يحدث للزيت والمُلوِّن الغذائي عندما تضيف قرص “ألكا سيلتزر”؟
• نشاط إضافي: بدلًا من استخدام الماء والزيت، جرب أن تمزج المُلوِّن الغذائي والزيت بسوائل أخرى. ماذا يحدث في ظنك عندما تضيف مزيج الزيت والمُلوِّن الغذائي إلى سائل آخر مثل كحول الإيزوبروبيل (isopropyl alcohol) بتركيز 50%؟ هل يمتزج الزيت أو المُلوِّن الغذائي بالكحول؟ هل ترى أي فصل في السوائل إلى طبقات؟

الملحوظات والنتائج

كما رأيت فإن الزيت والمُلوِّن الغذائي لا يمتزجان معًا بشكل جيد؛ وذلك لأن المُلوِّن الغذائي سائل قطبي أما الزيت فسائل غير قطبي. وإذا خلطت الاثنين، فسوف ترى الكثير من قطرات المُلوِّن الغذائي الصغيرة تنتشر في الزيت ولكن السائلين لا يمتزجان. وعندما تضيف ذلك المزيج إلى الماء في الكوب، لن يمتزج الزيت أيضًا بالماء لأن الماء أيضًا سائل قطبي، وسوف يشكل الزيت طبقة منفصلة على سطح الماء، إذ إن الزيت أقل كثافة (أو أخف) من الماء، ويهبط المُلوِّن الغذائي -وهو أيضًا أثقل من الزيت وقادر على الامتزاج بالماء- إلى قاع نقطة أو طبقة الزيت. وبمجرد أن يصل المُلوِّن الغذائي إلى الحد الفاصل بين الزيت والماء سوف يبدأ في الامتزاج بجزيئات الماء من خلال عملية تُعرف باسم الانتشار.

يعني ذلك أن جزيئات المُلوِّن الغذائي تنتقل من تركيز عالٍ إلى تركيز منخفض من المُلوِّن الغذائي داخل الماء، ولذلك لا ترى لون الماء يتغير بأكمله على الفور، ولكن ترى امتزاجًا بطيئًا للسائلين مع بقاء بعض أجزاء من الماء صافية في حين تبدأ أجزاء أخرى في اكتساب لون المُلوِّن الغذائي. ربما تكون تلك الانفجارات اللونية وآثار المُلوِّن الغذائي داخل الماء قد ذكَّرتك بالألعاب النارية التي تتفجر في السماء ثم تتساقط ببطء إلى الأرض. وعندما تمزج المحلول باستخدام شوكة أو ملعقة فإن جميع جزيئات المُلوِّن الغذائي تنتشر بشكل متساوٍ داخل الماء ويصبح المحلول بأكمله ملونًا.

من ناحية أخرى، إذا خلطت المُلوِّن الغذائي بالماء فحسب، يمتزج السائلان على الفور. وعندما تضيف قطرة من هذا المزيج إلى كوب الزيت تلاحظ أن القطرة تهبط مباشرة إلى قاع الكوب لأن الماء أعلى كثافةً من الزيت. وفي الوقت نفسه، يظل المُلوِّن الغذائي ممتزجًا بالماء ولكنه لا يمتزج بالزيت، حتى عندما تحاول مزج المحلول بملعقة أو شوكة يظل السائلان منفصلين. ويمكنك استخدام هذه النتيجة لصنع مصباح “لافا” الخاص بك إذا قمت بإجراء النشاط الإضافي.

إنهاء التجربة

يمكنك سكب الماء والمُلوِّن الغذائي في بالوعة الصرف، ثم قم بتجميع الزيت المستخدم في التجربة في حاوية محكمة الإغلاق وأغلقها جيدًا. ثم تخلص من الحاوية بأكملها مع القمامة الأخرى بالطريقة المعتادة.