في هذه التجربة، سوف نجعل السائل يُسحب نحو الأعلى إلى داخل الكأس المقلوبة - باستخدام شمعة. تتطلبُ التجربة إشراف شخصٍ بالغ!
المعدات
- صحن أو صينية صغيرة
- كأس زجاجية (يمنع استخدام كؤوس مركبة من مواد قابلة للاشتعال كالبلاستيك أو الورق!)
- شمعة - من المستحسن أن تكون شمعة ذات شمعدان أو قاعدة من المعدن كالشمعة التي قمنا باستخدامها في الفيديو
- ماء أو أيّ سائل آخر نود سحبه إلى داخل الكأس، شرط أن لا يكون مشروبًا غازيًا
- أعواد ثقاب أو قداحة
سير التجربة
يمكنكم مشاهدة سير التجربة في الفيديو التالي:
ملاحظة: إذا قررتم استخدام شمعة عادية، بدون شمعدان أو قاعدة، يجب عليكم إلصاق الشمعة إلى الصحن قبل بداية التجربة بواسطة الشمع الخاص بالشمعة.
الشرح
في التجربة الحالية، تجتمع ثلاثة عوامل، بحيث يساهم كل منها في انخفاض ضغط الهواء في داخل الكأس، لذا يؤدي إلى تسلل العصير (المُركب بمعظمه من الماء) إلى داخل الكأس المقلوبة.
العامل الأول هو أنه عندما تحترق الشمعة فإنها تستهلك الأكسجين من الهواء وتطلق الماء وثاني أكسيد الكربون إلى الهواء أثناء عملية الاحتراق. للمُهتمين، لقد قمنا بإعداد شرحٍ مُفصل عن وتيرة استهلاك الأكسجين في الشمعة، في الشموع الحديثة، عادةً ما يكون الشمع مركبًا من مواد من عائلة ألكان/البرافين - عائلة من المواد المكونة من العناصر الكربونية (الرمز الكيميائي C) والهيدروجين (الرمز الكيميائي H) فقط. مثال لصيغة نوع من الشموع هي C25H52 وعملية الاحتراق الخاصة بها، أي أنّ تفاعلها مع الأكسجين (O2) هو:
C25H52+38O2 --------------> 25CO2+26H2O
وفقًا لصيغةِ التفاعل، نرى أنه في متوسط الشمعة، على كل جزيء من البارافين المحترق (الجزيء هو الجسيم الأساسي الأصغر للمادة - لقد صاغ الكيميائيون التفاعلات الكيميائية وفقًا للتفاعلات التي تقوم بها الجزيئات) يتمّ استهلاك 38 جزيئا من غاز الأكسجين (O2) من الهواء وإطلاق 26 جزيئا من بخار الماء (H2O) و 25 جزيئا من غاز ثاني أكسيد الكربون (CO2).
الآن نقوم بإجراء عملية حسابية بسيطة: بسبب تبريد وتكثيف المياه المنطلقة على هيئة بخار فورًا عند رجوعها إلى داخل الكأس لمياه سائلة، يمكننا القول إنه في عملية احتراق الشمعة هنالك انخفاض إجمالي في جزيئات الغاز:على كل 38 جزيء من الأكسجين التي تتفاعل ويتم استهلاكها في التفاعل يتم إطلاق 25 جزيئا فقط من ثاني أكسيد الكربون (تتحول المياه المنبعثة، كما ذكرنا سابقًا، إلى سائلة). يعني على كل جزيء من البرافين المحترق يتمّ "فقدان" 13 (38-25=) من جزيئات الغاز. لأنه وفقّا لـ "قانون أفوجادرو" لا تؤثر هوية الجزيئات على حجم الغاز أو ضغط الغاز (لمزيدٍ من الشرح يمكنكم قراءة الجواب عن سؤال حساب وزن الغاز). هناك انخفاض كُلي في كمية جزيئات الغاز في الكأس، لذلك ينخفض ضغط الهواء داخلها.
العامل الثاني - عندما يتمّ تغطية الشعلة بواسطة الكأس، يتم حصر الهواء الساخن جدًا داخل الكأس - الهواء الذي يقع فوق شعلة الشمعة الساخنة. عندما تنطفئ الشمعة نلاحظ أنّ الماء لا يزال يتقدم قليلًا، لكن من الواضح بأنه لا وجود لاستهلاك الأكسجين مرة أخرى. يحدث ذلك لأنّ الهواء الموجود داخل الكأس يبرد وتتقدم المياه نحو الأعلى بسبب انخفاض الضغط في الكأس. تمامًا كما يحدث في تجربة نفخ البالون في داخل القنينة.
العامل الثالث - يذوب غاز ثاني أكسيد الكربون قليلاً في الماء (المزيد عن ذلك، انظروا أدناه). عندما يذوب الغاز في الماء، يتم فقدانه من الجزء (الطور) الغازي للكأس، لذلك تساهم هذه الظاهرة أيضًا في انخفاض ضغط الهواء في الكأس.
تؤدي كل هذه العوامل إلى انخفاض ضغط الهواء في الكأس تحت مستوى ضغط الهواء الخارجي (أي الضغط خارج الكأس). في هذه المرحلة، يتمّ تشغيل ضغطين على المياه التي تغطيها الكأس - الضغط الجوي الخارجي وضغط الهواء المنخفض داخل الكأس. ولأنّ الضغط الخارجي أكبر من الضغط الداخلي، فإنه يتغلب على الضغط الداخلي ويضغط الماء أو السائل إلى داخل الكأس - الممتلئة بالسوائل. إذا أردنا أن نكون دقيقين من الناحية العلمية، نقول إنه يتمّ دفع الماء إلى داخل الكأس ولا يتمّ "امتصاصه" بداخلها.
يمكن إجراء عملية حسابية دقيقة لإظهار أنّ العامل الأكثر أهمية بين العوامل الثلاثة التي تتسبب في انخفاض الضغط في الكأس هو تبريد الهواء الساخن.
من الجدير بالذكر
إذا قمنا بسكبِ المحلول من تجربة "الملفوف الأحمر الذي يغير الألوان" إلى الصحن بدلاً من الماء، العصير أو النبيذ، سوف نقوم بتطوير التجربة بشكلٍ كبير. لأن هذا المحلول عبارة عن مؤشر الأس الهيدروجيني pH، أيّ أنه يقوم بتغيير لونه وفقًا لمُستوى الحامضية والقاعدية من حوله، يمكننا أن نرى أن غاز ثاني أكسيد الكربون يذوب بالفعل في الماء.
عندما يذوب ثاني أكسيد الكربون في الماء، ينتج "حمض الكربونيك" الذي يتسبب في تغيير لون محلول الملفوف من اللون البنفسجي الغامق/الأزرق إلى البنفسجي المائل إلى الأحمر - اللون الذي يتحول إليه محلول الملفوف عندما يتلامس مع الأحماض الضعيفة مثل حمض الكربونيك. في هذه التجربة، نحتاج إلى التحلي بالصبر: بدون مساعدة الفقاعة، الذوبان الأساسي للغاز في الماء هو عملية بطيئة تأخذ وقتًا طويلًا، ينطبق الأمر أيضًا على تغيير لون المحلول. يثبت ذلك أنّ الذوبان في الغاز ليس السبب الرئيسي لارتفاع المياه السريع في الكأس.
بما أن تغيير اللون خفيف - مجرد تغيير في الدرجة - فمن المفضل إعداد كأس إضافية مقدمًا مع مؤشر الأس الهيدروجيني للمقارنة. للقيام بذلك، قوموا أولاً بتغطية كأس مليئة بمؤشر الأس الهيدروجيني بواسطة الصحن، قوموا بقلبهما سويًا حتى تكون الكأس مقلوبة ولا تزال مليئة بما يكفي من السائل - وحينئذ فقط يمكن البدء بالتجربة بجانب كأس المقارنة. مسار التجربة معروض في الصور التالية:
