سه شنبه 3 اسفند 1395 - 24 جمادي الاول 1438 - 21 فوريه 2017
چه چیزی تعیین کننده ی رفتار یک مایع روی سطوح است؟ پاسخ به نظر آسان است: رفتار وابسته به نوع مایع و سطح است. سطوح مختلف دارای ساختارهای مولکولی متفاوت هستند که روی رفتار آب یا مایعات دیگر بر روی آنها تأثیرگذار است....
بازدید :
زمان تقریبی مطالعه :

رقص قطره ها

رقص قطره ها

مقدمه:

آیا تا به حال به حرکت قطره های باران روی شیشه ی پنجره توجه کرده اید؟ برخی از این قطرات تنها هستند و برخی دیگر به هم می پیوندند و قطره های بزرگتری تشکیل می دهند. آیا برایتان سوال شده است که چرا این قطره ها به شیوه های مختلف رفتار می کنند؟ کنترل پخش مایعات روی سطوح، یا خیس شدن، بسیار مهم است. در بعضی کاربردها به سطحی با خاصیت دفع مایع نیاز دارید، مانند کاپشن ضد آب.

رقص قطره ها

در موارد دیگر نیاز دارید مایع به طور یکدست روی سطح پخش شود، مانند رنگ دیوار. اما آیا می توان رفتار قطره های آب روی سطحی خاص را پیش بینی کرد؟ این قطره روی سطح نیز به صورت قطره باقی می ماند یا پخش می شود؟ پیش بینی رفتار در حالتی که آب همراه با ماده ای دیگر باشد بسیار پیچیده تر است. در مواردی نتایج غیر منتظره و جالب حاصل می شوند. فعالیت علمی زیر را انجام دهید تا خودتان این موضوع را تجربه کنید.

رقص قطره ها

پیش زمینه:

چه چیزی تعیین کننده ی رفتار یک مایع روی سطوح است؟ پاسخ به نظر آسان است: رفتار وابسته به نوع مایع و سطح است. سطوح مختلف دارای ساختارهای مولکولی متفاوت هستند که روی رفتار آب یا مایعات دیگر بر روی آنها تأثیرگذار است. موادی مانند شیشه که آب را به خود جذب می کنند هیدروفیل یا آبدوست نام دارند و آب روی این سطوح به آسانی پخش می شود. سطوح دیگر مانند تفلون یا برگ گیاهان رفتاری درست مخالف این دارند و آب گریز یا هیدروفوب نام دارند. آب روی این سطوح به صورت قطره درمی آید. شکل قطره روی هر سطح اطلاعات زیادی در مورد خواص این سطح بیان می کند.

رقص قطره ها

در مایعات کشش سطحی خاصیت تعیین کننده ی شکل قطره هاست. مولکول های مایع در یک قطره علاقه دارند به مولکول های اطراف خود بچسبند. بدین ترتیب مولکول های داخل قطره به هم متصل هستند. اما در سطح قطره تعداد مولکول های مایع کمتر است که این مسئله منجر به تشکیل پیوندهای قوی تر میان مولکول های سطحی می شود. با کشیده شدن مولکول های سطح به داخل قطره توسط مولکول های زیرین، قطره تشکیل می شود. ممکن است از کنار نمونه هایی از کشش سطحی مایعات بدون توجه عبور کرده باشید، مانند تشکیل قطرات کوچک آب بر روی پنجره، برگ گیاهان پس از بارش باران یا حرکت برخی حشرات روی سطح آب. در این فعالیت علمی به نمونه ای از اثرات کشش سطحی می پردازیم و عوامل موثر بر رفتار قطرات را بررسی خواهیم کرد.

رقص قطره ها
رقص قطره ها
 

مواد و وسایل مورد نیاز:

- یک بزرگتر برای کمک در انجام آزمایش
- آب
- دستمال کاغذی مخصوص آشپزخانه
- کاغذ سفید
- شیشه ی مخصوص میکروسکوپ (لام) و انبردست (اختیاری)
- یک سطح شیشه ای صاف و مقاوم در برابر حرارت مانند ظرف پیرکس (کاملاً سالم و بدون ترک)
- رنگ خوراکی مایع (که ماده ی اصلی تشکیل دهنده ی آن پروپیلن گلیکول باشد.)
- قطره چکان
- دستگیره ی آشپزخانه
- اجاق گاز
- کاغذ مومی (wax paper)
- عینک ایمنی (برای حفاظت از چشم در هنگام انجام آزمایش)
- ماژیک دائمی

 

آماده سازی:

- چند دستمال کاغذی مخصوص آشپزخانه روی سطح کار خود پهن کنید تا از کثیف شدن آن جلوگیری شود.
 
- با کمک قطره چکان یک خط شامل پنج قطره آب روی کاغذ مومی بریزید. این قطره ها باید تقریباً هم اندازه باشند.
 
- یک رنگ خوراکی (آبی، سبز، قرمز یا زرد) انتخاب کنید و یک قطره ی غلیظ از این رنگ خوراکی از ظرف حاوی رنگ در کنار خط شامل پنج قطره آب بریزید.
 
- به کمک قطره چکان مقدار کمی رنگ از این قطره ی روی سطح بردارید و آن را به دقت داخل اولین قطره ی آب از پنج قطره بریزید. با داخل کشیدن و بیرون ریختن مرتب قطره توسط قطره چکان محتویات آن را به خوبی مخلوط کنید.
 
- حال مقدار کمی از این قطره ی اول را با قطره چکان بردارید و با دقت در قطره ی دوم از پنج قطره بریزید.
 
- همین مراحل را برای پنج قطره انجام دهید. در انتها باید شش قطره شامل غلظت های مختلف رنگ خوراکی داشته باشید.
 
- قطره چکان را با آب تمیز بشویید.
 
- این مراحل را با یک سری جدید از قطره های آب و یک رنگ خوراکی دیگر (آبی، سبز، قرمز یا زرد) انجام دهید. به خاطر داشته باشید که قبل از عوض کردن رنگ خوراکی و انجام این مراحل از ابتدا، حتماً قطره چکان را بشویید. کاغذ مومی را موقتاً کنار بگذارید، در مراحل بعدی به آن نیاز خواهید داشت.
 
- از بزرگتر خود بخواهید اجاق گاز را روشن کند.
 
- عینک های ایمنی خود را به چشم بزنید.
 
- از بزرگتر خود بخواهید ظرف پیرکس را با دستگیره نگه دارد. مساحتی در حدود سه در شش سانتیمتر از کف ظرف را به مدت ۳۰ تا ۴۵ ثانیه به آرامی از میان شعله عبور دهید. شعله باید به شیشه ی ظرف برخورد کند. محلی از ظرف که با شعله در تماس است را به خاطر بسپارید زیرا فعالیت خود را در این قسمت انجام می دهید. (توجه: هنگام عبور دادن ظرف از میان شعله بسیار دقت کنید. ترک های میکروسکوپی می توانند منجر به شکسته شدن ظرف هنگام قرار گرفتن در معرض حرارت شوند. حتماً از شیشه ی مقاوم به حرارت (پیرکس) استفاده کنید. تمام افراد حاضر در محل آزمایش باید عینک ایمنی به چشم داشته باشند.)
 
- اگر لام میکروسکوپ دارید، می توانید به جای ظرف پیرکس لام را به مدت سی ثانیه از شعله ی گاز رد کنید.
 
- مراقب باشید زیرا شیشه بسیار داغ می شود. با دقت ظرف پیرکس یا لام را روی سطح کار خود قرار دهید. (سمتی از شیشه که در تماس با شعله قرار داشته است باید رو به بالا باشد.) اجازه دهید شیشه به مدت ده دقیقه خنک شود.

 

روش کار:

- پس از اینکه شیشه کمی خنک شد، یک کاغذ سفید روی سطح کار خود قرار دهید. ظرف پیرکس یا لام را روی کاغذ بگذارید. به خاطر داشته باشید سمتی از شیشه که در تماس با شعله بوده است باید رو به بالا باشد.
 
- با قطره چکان تمیز یک قطره آب خالص روی سطح شیشه بریزید. چه اتفاقی برای قطره می افتد، آیا روی سطح پخش می شود یا شکل قطره ای خود را حفظ می کند؟
 
- حال قطره ای کوچک از قطره ی غلیظ رنگ خوراکی را با کمک قطره چکان از روی کاغذ مومی بردارید (هر رنگی که می خواهید) و با دقت آن را روی شیشه بریزید. رفتار این قطره چگونه است؟ آیا این قطره با قطره ی آب خالص تفاوت دارد؟ آیا تفاوتی دیگر میان این دو قطره مشاهده می کنید؟
 
- حال قطره ای از رنگ خوراکی با همین غلظت را در کنار قطره ی رنگ قبلی روی شیشه بریزید. این دو نباید در تماس با هم باشند اما فاصله ی میان شان باید حدود سه تا شش میلیمتر باشد. این دو قطره چه رفتاری دارند؟ آیا در جای خود ثابت هستند یا حرکت می کنند؟ اگر قطره ها حرکت می کنند، جهت حرکتشان چگونه است و چه اتفاقی برای آنها می افتد؟
 
(راهنمایی: اگر هیچ اتفاقی برای قطره ها رخ نمی دهد احتمالاً دمای شیشه پایین تر از حد مجاز است. در این صورت شیشه را پاک کنید و مجدداً آن را روی شعله گرم کنید. استفاده از لام بهتر از ظرف پیرکس است. همچنین می توانید محل قرار گرفتن دو قطره روی شیشه را عوض کنید زیرا در برخی قسمت ها نتیجه ی بهتری حاصل می شود.)
- قطره چکان را بشویید و یک قطره رنگ خوراکی غلیظ (هر رنگی که دوست دارید) روی سطح شیشه بریزید.
 
- مجدداً قطره چکان را بشویید. سپس با آن کم غلظت ترین قطره روی کاغذ مومی با رنگی متفاوت از قطره ی غلیظ را بردارید و در کنار قطره ی غلیظ روی شیشه بریزید، به طوری که دو قطره با همدیگر تماس نداشته باشند. رفتار این دو قطره مشابه با رفتار دو قطره ی غلیظ همرنگ است؟ تفاوت ها در چیست؟
 
- حال چندین قطره در رنگ ها و غلظت های متفاوت از روی کاغذ مومی بردارید و به صورت اتفاقی و رندوم روی سطح گرم شیشه بریزید. دقت کنید که قبل از تعویض رنگ یا غلظت قطره ها باید قطره چکان را بشویید. همچنین سعی کنید قطراتی با اندازه های مختلف روی شیشه تشکیل دهید. چه اتفاقی برای قطره ها رخ می دهد؟ آیا رنگ و غلظت سبب تغییر رفتار آنها می شود؟ آیا می-توانید الگوی رفتاری خاصی در مورد این قطره ها تشخیص دهید؟
 
- آیا می توانید روش های دیگری برای ایجاد تغییر در رفتار قطره ها روی سطح شیشه ای یا هر سطح دیگری پیدا کنید؟ قطره ها روی تمام سطوح حرکت نمی کنند، اما می توانید در شکل و نحوه ی پخش آنها روی سطوح تغییر ایجاد کنید. سطوحی مانند کاپشن ضد آب، برگ گیاهان، پلاستیک یا یک میز چوبی را امتحان کنید. به نظرتان وجود مواد صابونی، روغن زیتون یا الکل تغییری در شکل قطره های تشکیل شده روی سطوح ایجاد می کند؟ اگر زبری سطوح را تغییر دهید چه اتفاقی برای قطره ها می افتد؟ (رنگ های خوراکی و مواد روغنی روی سطوح ایجاد لک می کنند، در نتیجه هنگام استفاده از آنها مراقب باشید.)

 

مشاهده و نتیجه گیری:

در این فعالیت علمی باید انواع رفتارها را روی سطح شیشه ای مشاهده کرده باشید. به احتمال زیاد قطره ی آب خالص به سرعت روی سطح پخش می شود. حرارت دادن به شیشه سبب نامساعد شدن شرایط برای تشکیل قطره می شود و در نتیجه پخش شدن مایع روی آن محتمل تر است. با این وجود رنگ خوراکی غلیظ علاوه بر آب حاوی ماده ی شیمیایی به نام پروپیلن گلیکول است. ترکیب این دو ماده سبب تشکیل قطره هایی کروی تر می شود که باید متوجه آنها روی سطح شیشه ای شده باشید. آب سطحی در این قطره ها سریع تر از پروپیلن گلیکول تبخیر می شود و در عین حال کشش سطحی بیشتری نیز دارد. این تفاوت ها منجر به جریان متقارن آب در قطره می شود که باعث تثبیت قطره و جلوگیری از پخش آن می شود.

رقص قطره ها

ممکن است مشاهده کرده باشید که قطره ی رنگ خوراکی کمی روی سطح شیشه ای حرکت می کند. با قرار دادن قطره ی دوم رنگ خوراکی در کنار قطره ی اول، این دو به هم نزدیک می شوند. دلیل این حرکت آن است که یک قطره بر تبخیر آب قطره ی دوم تأثیر می گذارد و جریان آب داخلی آن را نامتعادل می کند. نتیجه حرکت قطره ها به سوی هم در اثر عدم تعادل است. وقتی دو قطره به هم می رسند، ترکیب آب/پروپیلن گلیکول آنها رفتار دو قطره را تعیین می کند. اگر دو مخلوط یکسان باشند قطره ها به هم متصل می شوند و قطره ای بزرگتر تشکیل می دهند. اما اگر دو قطره رنگ خوراکی با غلظت های بسیار متفاوت را در کنار هم قرار دهید، مشاهده خواهید کرد که یک قطره به دنبال دیگری حرکت می کند. دلیل این اتفاق تفاوت در کشش سطحی دو قطره است. قطره ی با کشش سطحی کمتر (غلظت رنگ خوراکی بیشتر) به دنبال قطره ی با کشش سطحی بیشتر (غلظت رنگ خوراکی کمتر) حرکت می کند. با قرار دادن چندین قطره در غلظت ها و رنگ های مختلف حرکت های جالبی را روی سطح گرم شیشه مشاهده می کنید.

تمیز کردن:

ظرف پیرکس یا لام را به خوبی بشویید تا رنگ های خوراکی پاک شوند. سطح کار خود را با آب و صابون تمیز کنید و حتماً در انتهای کار دستان خود را بشویید.

منبع: Dancing Droplets  

بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان، تنظیم : نیلوفر یاقوتی

تلفن : 81200000
پست الکترونیک : public@tebyan.com
آدرس : بلوارکشاورز ، خیابان نادری ، نبش حجت دوست ، پلاک 12

ارتباط با ما

روابط عمومی

درباره ما

نقشه سایت

تعدادبازدیدکنندگان
افراد آنلاین