چگالی یخ

مقدمه:

در این آزمایش مکعب های یخی در روغن خوراکی شناور می شوند و دانش آموزان مشاهده می کنند که هنگام ذوب یخ، چگونه آب مایع تولید می شود و چگالی تغییر می کند. چندین پدیده ی کشش سطحی نیز به عنوان قسمتی از این اثبات تجربی مورد برسی قرار می گیرند.

ترتیب و برنامه ریزی آزمایش:

با این که این آزمایش بسیار ساده و بی خطر است، اما بیش تر یک اثبات تجربی سریع برای بحث کلاسی است تا یک آزمایش کلاسی.

انجام این اثبات تجربی فقط  10 دقیقه زمان لازم است اما بحث های مرتبط با آزمایش و سؤالات رایج آن بسته به نظر دبیر است.

مواد شیمیایی لازم و ابزارهای آزمایش:

1. * استوانه ی مدرج (1 dm³ ) (به نکته ی 1 هم نگاه کنید.)
2. *  400 cm³  آب
3. * تکه های یخ (نکته ی 2 را نیز ببینید.)
4. * روغن خوراکی 400 cm³ (به عنوان مثال روغن خوراکی خالص).
5. * دوربین، وب کم یا هر وسیله ای که بتوان تصویر بزرگ شده ی آزمایش را روی پرده ی مناسبی نمایش داد؛ البته اگر تهیه ی آن راحت است.

نکات فنی

1. I. ترجیحا از استوانه ی مدرج شیشه ای به جای نوع پلاستیکی آن استفاده کنید زیرا وضوح وقایع آزمایش در نوع شیشه ای بهتر است.
2. II. بهتر است تکه های یخ از آب رنگی (رنگ خوراکی آبی) تهیه شوند تا این پدیده به خوبی در کلاس قابل دیدن باشد. یخ ها را به خوبی فریز کنید تا مطمئن شوید هیچ آب مایعی دررون تکه ها باقی نمانده است. دقت کنید که تکه های یخ واقعا در روغن مصرفی شناور باقی می مانند.

انجام آزمایش

 مقادیر400 cm³  آب و 400 cm³ روغن خوراکی را درون استوانه ی مدرج بریزید و اجازه دهید لایه ها کاملا از هم جدا باشند. روغن همواره در بالای آب قرار خواهد گرفت.

  یک تکه یخ به داخل استوانه ی مدرج بیندازید. این تکه یخ درست در بالای روغن شناور خواهد شد.

 به تغییرات تکه یخ دقت کنید. هم چنان که یخ ذوب می شود، آب تشکیل شده از آن، قطره های ریز چسبیده به یخ را تولید می کند. در نهایت این قطره های ریز آب خودشان را از تکه یخ جدا می کنند و به سمت لایه ی پایین یعنی جایی که آب در آن جا وجود دارد، می روند. این پدیده ی غیر عادی به خوبی چگالی بزرگ تر آب را نسبت به یخ نشان می دهد.

نکته های تدریس

قطره های آبی رنگی که از یخ ها به وجود آمده اند، به راحتی در روغن با رنگ زرد کم رنگ در برابر یک پس زمینه ی سفید به خوبی قابل تشخیصند.

مشاهدات جالبی که معمولا با کشش سطحی بالای آب مرتبطند:

1. * بعد از این که قسمت زیادی از یخ ذوب شد، وزن قطره ی آب برای کشیدن باقی مانده ی تکه یخ به سمت پایین، کافی است؛ یعنی چگالی تکه یخ و قطره بیش تر از روغن است. گاهی اوقات هنگامی که تکه یخ و قطره ی آب شناور هستند، قطره ی آب خود را از یخ جدا کرده و تکه یخ در بالای سطح شناور می ماند.
3. * گاهی قطره های بسیار ریز آب از مجموعه قطره های دیگر جدا می شوند و حین پایین آمدن و پیوستن به آب در لایه ی پایینی، اثر " رشته ی مروارید" تشکیل می شود.
5. *  قطره های ریز آب ممکن است برخی اوقات بدون آمیخته شدن با لایه ی آب مابین آب و روغن قرار بگیرند.
7. * قطره های ریز آب هنگام تشکیل، جدا شدن از تکه یخ و فرو رفتن در لایه های آب و روغن، تغییرات جالبی در شکل خود می دهند.
9. * زمانی که قطره های ریز رنگی آب به لایه آب پایینی می پیوندند، به دلیل چگالی بیش تر از آب به پایین لایه آب فرو می روند.

ممکن است نیاز باشد تا این کار تجربی را با تکه یخ بی رنگ نیز انجام دهید تا نشان دهید همان تغییرات چگالی اتفاق می افتند.

در صفر درجه سانتی گراد، چگالی یخ حدود 0/92 g / cm ³ و چگالی آب در حدود 1000 g /cm³ است. روغن خوراکی نیز دارای چگالی مابین این دو مقدار است و بنابراین یخ در روی روغن شناور می ماند، در حالی که آب به پایین می رود.

بیش تر جامد ها چگال تر و سنگین تر از مایعات هستند اما یخ این گونه نیست! چگالی پایین یخ به علت ساختار شبکه ی باز آن، پیوندهای هیدروژنی آن و شبکه ی چهار وجهی (تتراهدرال) مشابه به الماس است. (شکل بالا)

ساختار آب مایع، مولکول های آب پکیده تر و فشرده تری نسبت به مولکول های آب در دمای زیر  4 °C  دارد که باعث چگالی بالاتر آن می شود.

مرکز یادگیری سایت تبیان

تهیه: خدیجه آلچالانلو - تنظیم: یگانه داودی