مفهوم الذوبان للاطفال بالتجارب

التنبؤ والمراقبة والاكتشاف من خلال التجارب العلمية البسيطة هي طريقة ممتعة للأطفال الصغار لاستكشاف العالم من حولهم وزيادة معرفتهم. الأنشطة التي تشجع حل المشكلات وتطوير مهارات التفكير المناسبة لعمرهم هي أفضل طريقة لتعليم المفاهيم العلمية لطفلك. هناك العديد من الطرق لعرض كيفية ذوبان المواد لدى طفلك الصغير، ولكن فهم السبب وراء ذلك هو الجزء الأكثر أهمية

مفهوم الذوبان

الذوبان هو قدرة المادة الكيميائية الصلبة أو السائلة أو الغازية، التي تسمى المذاب، على الذوبان في المذيب، وعادة ما يكون ذلك على شكل سائل يشكل محلولا، وتعتمد قابلية الذوبان بشكل أساسي على المذيب المستخدم، بالإضافة إلى درجة الحرارة والضغط.

ماذا يحدث أثناء الذوبان 

عند تسخين المواد الصلبة أو امتصاص الحرارة من البيئة، تبدأ الجزيئات في الحصول على طاقة كافية للتغلب على القوى بينها، أو القوى التي تربطها ببعضها بطريقة صلبة مثل جزيئات الماء في الثلج.

تبدأ الجزيئات الموجودة على السطح الخارجي للمادة في الذوبان، مع الحفاظ على الجزء الداخلي باردا بما يكفي ليبقى صلبا، مثل مكعب ثلج يذوب من الخارج إلى الداخل بدلا من أن يتحول إلى بركة في وقت واحد. لذلك هناك عمليتان متورطتان في الذوبان، وهما امتصاص الطاقة الحرارية، ثم استخدام تلك الطاقة لتفكيك الهيكل الشبكي المنظم للمادة الصلبة.

تجارب الذوبان للأطفال 

تهدف هذه التجارب الموجهة للأطفال إلى تعريفهم بفكرة التنبؤ بنتائج التجارب المدروسة، وتوضيح مفهوم الاختلاف بين حالتين مختلفتين، مثل الماء الدافئ والماء البارد.

تجربة1 : تأثيرات الماء الدافئ على الجليد

المواد المستخدمة 

مكعبات ثلج

وعاءان

ماء بارد ودافئ

التجربة 

يُنصح بتوفير وعاءين من الماء للأطفال، واحد بدرجة حرارة دافئة جدًا ولكن ليس شديد الحرارة، والآخر بدرجة برودة شديدة، ويُطلب من الأطفال تجربة درجة حرارة الماء باستخدام أصابعهم وتدوين الملاحظات حولها، ثم يُطلب منهم التفكير في ما سيحدث إذا وضعوا مكعب ثلج في كل وعاء.

يُطلب من الأطفال تخمين أي مكعبٍ سيذوب بشكلٍ أسرع ولماذا يحدث ذلك

ثم راقب مكعبات الثلج بعناية وناقش النتائج.

تجربة2: الشمس مقابل الظل

المواد المستخدمة

مكعبات ثلج

الأسطح المشمسة والمظللة

التجربة 

قبل بدء التجربة، نبدأ مناقشة حول ما يسبب ذوبان الجليد، ونطلب من الأطفال التخمين ونطرح هذه الأسئلة: أين تعتقد أن الجليد سيذوب بشكل أسرع؟ في الشمس أم في الظل

يمكن طلب من الأطفال وضع مكعب ثلج في الشمس وآخر في الظل، ومن ثم ملاحظة النتائج ومناقشتها مع الأطفال حول السبب في ذوبان الثلج بشكل أسرع في الشمس. ويمكن طلب من الأطفال الوقوف تحت أشعة الشمس ثم الوقوف في الظل لمقارنة الفرق.

تجربة3: مكعبات الثلج

المواد المستخدمة 

مكعبات ثلج

وعاءان كبيران

كوبين ورقيين صغيرين

التجربة

ضع مكعب ثلج في كل كوب ورقي، ثم ضع في الوعاء الأول مكعبات ثلج 1 أو 2، وفي الوعاء الثاني ضع 10 مكعبات ثلج أو أكثر.

في هذه التجربة، سيضع الأطفال كل كوب يحتوي على مكعب ثلج في وعاء، ويُطلب منهم التفكير فيما سيحدث.

في أي كوب يذوب مكعب الثلج بشكل أسرع؟ في الوعاء الذي يحتوي على مكعبين فقط، أم في الوعاء المليء بالمكعبات؟

ضع كل كوب من الأكواب الورقية في وعاء، وتأكد من أن الأكواب مستقيمة حتى لا يتسرب محتواها، ثم ضع الوعاء المليء بالثلج في الكوب الورقي، وأحاطه بمكعبات الثلج، وشاهد ولاحظ النتائج مع الأطفال.

العوامل المؤثرة على عملية الذوبان 

درجة الحرارة

بشكل عام، يزداد معدل الذوبانية مع درجة الحرارة، وهذا ينطبق على معظم المذيبات، على الرغم من أن الوضع مختلف بالنسبة للغازات؛ حيث يقل معدل الذوبانية مع زيادة درجة الحرارة. وعلى الرغم من أن المادة المذابة قد تكون أقل قابلية للذوبان في الماء مع زيادة درجة الحرارة، إلا أنها تزداد قابلية للذوبان في المذيبات العضوية. وهناك اعتقاد خاطئ بأن درجة الحرارة لا تؤثر على معدل الذوبان، ولكن الحقيقة هي أن درجة حرارة المذيب تؤثر على سرعة عملية الذوبان

القطبية

غالبًا ما تتذوب المواد المذابة في المذيبات التي لها قطبية مماثلة، ولا تتذوب المذابات غير القطبية في المذيبات القطبية، والعكس صحيح.

الضغط

المواد المذابة الصلبة والسائلة

بالنسبة لمعظم المواد المذابة الصلبة والسائلة، فإن الضغط لا يؤثر على قابلية الذوبان.

يذوب الغاز

بالنسبة للغازات، ينص قانون هنري على أن قدرة ذوبان الغاز تتناسب طرديا مع ضغط هذا الغاز. يمكن تمثيل هذا رياضيا على النحو التالي: p = kc، حيث k هو ثابت يعتمد على درجة حرارة الغاز. يمكن ملاحظة قاعدة هنري بوضوح عند فتح زجاجة المشروبات الغازية، حيث يتم إطلاق الغاز المنحل في المشروب بعد تخفيض الضغط في الزجاجة.

الحجم الجزيئي

عندما تكون جزيئات المذاب أكبر حجما، يكون وزنها الجزيئي أكبر وحجمها أكبر أيضا، وتصعب جزيئات المذيب من حيازة جزيئات أكبر إذا تم استبعاد جميع العوامل المذكورة أعلاه. بشكل عام، يمكن القول أن الجسيمات الأكبر حجما تكون أقل قابلية للذوبان، إذا كانت المذابتان من نفس القطبية وتتمتعان بنفس الضغط ودرجة الحرارة، فإن المذيب الذي يحتوي على جزيئات أصغر بشكل عام يكون أكثر قابلية للذوبان.

لماذا الماء مذيب عام 

يتميز الماء بخاصية فريدة كمذيب عام، حيث يتم سحب جزيئات الماء بين أيونات مواد معدنية مثل Na+ و Cl- وذلك عبر قطبيتها.

تتمثل عملية جذب النقاط الإيجابية على جزيئات الماء إلى أيونات الكلور ذات الشحنة السالبة، وجذب النقاط السالبة على جزيئات الماء إلى أيونات الصوديوم ذات الشحنة الموجبة، وعندما يتم سحب الماء بين أيونات الصوديوم والكلور، تنقسم المادة إلى جزيئات وتذوب.

قيم قطبية جزيئات الماء تتعارض مع قيم قطبية أيونات المعادن للتعبير عن ثابت العزل. يحدث انفصال الأيونات عن المعدن الصلب وذوبانها في الماء وترطيبها. تنجذب الكثير من جزيئات الماء بشدة نحو كل أيون، ويتوقف العدد الدقيق على حجم وشحنة الأيون. تشكل جزيئات الماء هذه معظم الغلاف المحيط بالأيون، وتحتل مجموعة أخرى من جزيئات الماء الأقل استقرارا بقية هذا الغلاف الداخلي، بالإضافة إلى بعض أو جميع الغلاف الثانوي حيث تتعطل الهيكل الطبيعي للماء بفعل الأيون. ترتبط جزيئات الماء كهروكيميائيا بالأيونات والجزيئات المستقطبة، مما يمنع تشكيل بلورات بينها. وبالتالي، يكون الماء مذيبا ممتازا للمواد المعدنية التي تتكون من أيونات، ولكنه أقل فعالية بكثير في إذابة المواد غير القطبية مثل الزيوت والدهون والشموع. هذه المواد أكثر قابلية للذوبان في المذيبات العضوية غير القطبية. تجعل خصائص الماء كمذيب قادرة بشكل فريد على إذابة الأيونات التي تعمل كمغذيات رئيسية للنباتات وتدعم التفاعلات الكيميائية الحيوية العديدة التي تحدث في الخلايا لدعم الحياة. تعمل المواد غير القطبية غير القابلة للذوبان كنواة وجدران خلوية تظل مستقرة عند تلامسها مع الماء.

تحتوي بعض الجزيئات العضوية المتوسطة إلى الكبيرة على تركيبات مائية تحب الماء من جهة وتكرهه وتطرده عنه على الجهة الأخرى، وفي التربة قد يكون لهذه الجزيئات أطراف كارهة للماء مرتبطة بجزيئات التربة وأطراف مائية عند ملامستها لمياه التربة، داخل النبات قد تشكل هذه الجزيئات غشاء يحيط بقطرة من الزيت ويجعلها قابلة للامتزاج مع وسط الماء المحي.