در مقالات گذشته، آزمایش‌هایی را انجام دادیم که چگالی، نقش مهمی را در آن‌ها ایفا می‌کرد. اما این بار، قرار است آزمایشی را انجام دهیم که کاملا به چگالی وابسته است و ریز و درشت آن را به شکلی ساده توضیح می‌دهد. چگالی، یکی از مهم‌ترین مباحث در دروس مدرسه نیز هست. به طوری که دانش‌آموزان مرتبا با آزمایش‌های مختلف مربوط به چگالی آشنا می‌شوند. یکی از آزمایش‌های بسیار جالب که می‌تواند هر کسی را به علم شیمی و حتی فیزیک علاقه‌مند کند، آزمایش برج چگالی می‌باشد. در ادامه، با این آزمایش کاربردی آشنا می‌شویم.
چگالی چیست؟
اگر نمی‌دانید که چگالی دقیقا چیست، قطعا نمی‌توانید آزمایش این مقاله را درک کنید. پس بهتر است که کمی چگالی را بهتر بفهمیم. چگالی (به طور دقیق تر، نسبت جرم حجمی؛ که به آن جرم خاص نیز می‌گویند)، جرم یک ماده در واحد حجم است. در واقع چگالی، می‌خواهد به ما بگوید که یک ماده در حجمی مشخص، چه مقدار جرم دارد. از نظر ریاضی، چگالی به صورت تقسیم جرم بر حجم تعریف می‌شود که تقریبا همه دانش‌آموزان با آن آشنایی ویژه‌ای دارند. علامت چگالی معمولا به صورت p می‌باشد که دسته آن کمی کج شده است. همانطور که احتمالا خودتان حدس زده‌اید، چگالی اجسام با هم فرق دارد. همین مسئله، کوهی از سوالات و آزمایش‌های جذاب را ساخته است که می‌توان هر کدام را به صورت ویژه بررسی کرد.
دو عنصر اُسمیوم و ایریدیوم، متراکم‌ترین (چگال‌ترین) عناصر شناخته شده در شرایط استاندارد دما و فشار هستند. در واقع چگالی این دو عنصر از دیگر عناصر بیشتر است. البته یک نکته مهم را نیز باید در نظر گرفت؛ چگالی یک ماده در هر دما و فشار، متفاوت است. این تغییرات معمولا برای جامدات و مایعات خیلی زیاد نیست، اما برای گازها خیلی بیشتر است. افزایش فشار بر یک جسم باعث کاهش حجم جسم و در نتیجه افزایش چگالی آن می‌شود. افزایش دمای یک ماده (به استثنای چند مورد) با افزایش حجم، چگالی آن را کاهش می‌دهد. تا همین جا برای برج چگالی و آزمایش ما کافی است. باقی نکات را در زمان آزمایش بررسی خواهیم کرد.
چگونه برج چگالی درست کنیم؟
اکنون به سراغ آزمایش برج چگالی می‌رویم.
وسایل مورد نیاز: پنج عدد لیوان شیشه‌ای و شفاف – آب گرم – شکر – قاشق – رنگ غذایی (به دلخواه شما) – سرنگ – پیپت – لوله آزمایش جامبو
مرحله اول آزمایش برج چگالی
هر چهار لیوان را به اندازه 4/1 فنجان آب گرم پر کنید. میزان مایع در این آزمایش خیلی اهمیت دارد. پس سعی کنید که مقدار گفته شده را دقیق حساب کنید.
مرحله دوم
حالا باید شکر و رنگ غذا را اضافه کنید. هر رنگ، مقدار متفاوتی شکر در خود دارد که تعیین کننده چگالی آن است.
مرحله سوم آزمایش برج چگالی
2 قاشق غذاخوری (26 گرم یا 3 حبه قند) شکر را به لیوان اول، 4 عدد به لیوان دوم، 6 عدد به لیوان سوم و 8 عدد قاشق غذاخوری شکر را به لیوان چهارم اضافه کنید. حتما روی هر رنگ، مقدار شکر اضافه شده را برچسب بزنید تا حساب کار دستتان باشد. برای مثال:
آبی = 2 قاشق غذاخوری
زرد = 4 قاشق غذاخوری
قرمز = 6 قاشق غذاخوری
سبز = 8 قاشق غذاخوری
مرحله چهارم
از یک قاشق جداگانه برای هم زدن هر لیوان استفاده کنید. خوب هم بزنید تا شکر کامل حل شود. بسیار مهم است که تمام شکر در هر لیوان حل شود. از قاشق‌های جداگانه استفاده کنید تا یک میزان چگالی را با دیگری قاطی نکنید.
نکته: با توجه به درصد خطا در تمامی آزمایش‌های علم شیمی، احتمال دارد که در لیوان دوم یا سوم به نقطه اشباع شکر در یک لیوان آب برسید. بدین شکل که هم می‌زنید و هم می‌زنید اما به نظر می‌رسد که همیشه مقداری شکر در لیوان به صورت حل نشده باقی می‌ماند. این مسئله به انحلال برمی‌گردد که در آخر مقاله در مورد آن توضیح خواهیم داد.
مرحله پنجم آزمایش برج چگالی
برای حل کردن تمامی شکر موجود در لیوان، باید از یک راه بسیار جالب استفاده کنیم و آن هم گرم کردن آب است. لیوان را به مدت 20 ثانیه در مایکروویو قرار دهید تا آب گرم شود. آب گرم را هم بزنید. گرم کردن و هم زدن را مرحله به مرحله ادامه دهید. تا زمانی که تمام شکر در همه لیوان‌ها حل شود.
مرحله ششم
با لیوان حاوی بیشترین محلول شکر (برای مثال، آب سبز رنگ) شروع کنید. با استفاده از پیپت، قطره‌چکان یا سرنگ، لایه زیرین محلول آب و شکر رنگی را به لوله آزمایش جامبو اضافه کنید. کناره‌های لوله آزمایش را با قرار دادن در لایه زیرین در مرکز، خشک نگه دارید. به لوله فشار وارد نکنید.
مرحله هفتم آزمایش برج چگالی
به قسمت سخت آزمایش برج چگالی رسیده‌ایم که در حقیقت، قسمت اصلی آزمایش می‌باشد. افزودن لایه‌ها چالش برانگیز است. در این آزمایش، عجله کردن می‌تواند کار را خراب کند. این مسئله، به سادگی دسته‌ای از آب و شکر را در لوله آزمایش مخلوط می‌کند که باعث از بین رفتن لایه‌های رنگی جداگانه می‌شود. پس خیلی دقت کنید تا آزمایش خراب نشود.
توجه: اگر فقط یک پیپت یا پایه دارید، حتما بین هر تغییر رنگ، آن را بشویید و خشک کنید تا یک محلول با محلول دیگر مخلوط نشود.
با استفاده از یک پیپت جدید یا پیپت تمیز شده، لایه چگالی بعدی (برای مثال قرمز) را با دقت روی سطح لایه اول اضافه کنید. بهترین تکنیک این است که نوک پیپت را به دیوار لوله آزمایش و کمی بالاتر از سطح آب و شکر بالا بیاورید. با بالا آمدن سطح، پیپت را به سمت بالا بکشید. این کار صبر زیادی می‌خواهد. بنابراین به آرامی فشار دهید. این مقدار را به همان اندازه رنگ اول اضافه کنید.
مرحله هشتم
در ابتدا، ممکن است به نظر برسد که هر چقدر هم که مراقب باشید، رنگها در برج چگالی کمی با هم مخلوط می‌شوند. اما نگران نباشید. با بیشتر شدن رنگ دوم در لوله آزمایش، جدایی ظاهر می‌شود. محلول با تراکم کمتر یا همانی که چگالی کمتری دارد، در بالای محلول متراکم‌تر شناور است.
مرحله نهم آزمایش برج چگالی
از پیپت جدید برای ادامه رنگ بعدی به همان روش استفاده کنید. پیپت چهارم را بگیرید تا با رنگ کم‌چگال‌تر، تمام شود. کار را تا جایی ادامه دهید که تمامی رنگها روی هم قرار گرفته‌اند.
چرا در برج چگالی رنگها روی هم قرار گرفتند؟
و اما توضیحات علمی در مورد برج چگالی.
با افزایش مقدار شکر در محلول و ثابت نگه داشتن مقدار آب، محلول‌هایی ایجاد کردید که دارای چگالی بیشتری هستند. با افزودن شکر به آب، مولکول‌های شکر بیشتر و بیشتر فضای موجود بین مولکول‌های آب را اشغال می‌کنند و محلول، متراکم‌تر یا به اصطلاح، چگال‌تر می‌شود. لیوان حاوی هشت قاشق غذاخوری شکر، چگال‌ترین است. از طرفی لیوان با دو قاشق غذاخوری شکر، کمترین چگالی را خواهد داشت. همانطور که می‌بینید، محلول با چگالی کمتر روی مخلوطی با چگالی بیشتر قرار می‌گیرد. این آزمایش، ترکیبی منحصر به فرد از علم شیمی و علم فیزیک است.
نقش انحلال در آزمایش برج چگالی
اگر یادتان باشد، گفتیم که بحث انحلال نقش ویژه‌ای در آزمایش دارد. چگونه محلول فوق اشباع ساختیم؟ خب، وقتی شکر را در آب حل می‌کنید، نقطه‌ای وجود دارد که فراتر از آن دیگر نمی‌توانید شکر را حل کنید. این محلول، “محلول اشباع” نامیده می‌شود. در این حالت، مولکول‌های آب و شکر کاملا در کنار هم پر شده‌اند و جایی برای مولکول شکر دیگری نیست. با این حال، اگر محلول را گرم کنید (در واقع به آن انرژی اضافه کنید)، مولکول‌های آب بسیار سریع‌تر حرکت می‌کنند. بنابراین، می‌توان شکر بیشتری را حل کرد. وقتی این محلول سرد می‌شود، شکر در محلول باقی می‌ماند و به آن “محلول فوق اشباع” می‌گویند. با این حال، بسیار ناپایدار است و شکر به راحتی و با تلاش بسیار کمی، متبلور می‌شود.
یک سوال جالب
اگر ستون چگالی آب و شکر آماده را تکان دهید یا مخلوط کنید چه اتفاقی می‌افتد؟ رنگها چه خواهند کرد؟ وقتی آماده شدید، آن را امتحان کنید. رنگها جدا نمی‌شوند. به لایه‌هایی برمی‌گردند که قبل از تکان دادن، مشاهده کردید.
آزمایش برج چگالی را دوست داشتید؟
با توجه به نکات علمی و رنگ‌های جالب آزمایش، فکر می‌کنم که آزمایشی بهتر از این وجود ندارد. با انجام دادن آزمایش برج چگالی، شاد می‌شوید و کلی نکته یاد می‌گیرید. امیدواریم که از این آزمایش لذت برده باشید.
نویسنده: عجیب تو جیب
هرگونه کپی برداری از محتوا تنها با ذکر نام “عجیب تو جیب” و “درج لینک دقیق محتوا” در سایت مجاز است و در غیر این صورت و مشاهده آن پیگرد قانونی دارد.
