تجربة ١٤: الثلج المعزول

لقد ناقشنا للتو الحالة الصلبة للمادة والحالة الغازية والسائلة أيضًا، وصادفنا كيمياء شيقة في كلٍّ منها، لكن هذا ليس إلا قمة الجبل الثلجي. وسيكون موضوع مناقشتنا التالي هو التغيرَ من حالة إلى أخرى. مع أن طبيعة التغيرات التي تطرأ على الحالة التي اختبرناها من طريق المواد النقية — مثل الذوبان والتجمد والغليان — لها بريقها الخاص، فإن الأمر يُصبح أكثرَ إثارةً عند إضافة القليل من الكيمياء إلى الخلطة. ولتوضيح التغيرات التي تطرأ على الحالة مع القليل من الطابع الكيميائي، جرب التجرِبة الآتية:

بعد ارتداء نظارة الأمان الواقية، التقِط زجاجة دليل اختبار قلوية مياه حوض السمك المقترح شراؤها في «قائمة المشتريات والمحاليل». أضف ثلاث نقاط من الدليل على نصف كوب (١٢٠ مليلترًا) ماء موضوع في وعاء من الزجاج الشفاف أو البلاستيك، ملاحظًا كما تفعل دومًا لون النقاط وهي متساقطة من زجاجتها ولونها وهي تتخلل الماء. يكون لون النقاط برتقاليًّا ضاربًا إلى الصفرة قبل إضافتها إلى الماء، ويتغير لونها إلى اللون الأزرق المخضر عند إضافتها إلى الماء. يُعزى تغير اللون إلى أن الدليل حامضي نوعًا ما. يفقد الدليل أيون هيدروجين في الماء الذي بدوره يُغيِّر لون المحلول. رج المحلول قليلًا لكي تخلط الدليل ثم غطِّ الوعاء بغلاف بلاستيكي. تأكد من أن الغلاف في مكانه بتثبيته بشريط مطاط أو بشريط لاصق. نظف الوعاء من الخارج بمنديل ورقي، ثم ضعه في المجمد على منديل ورقي. قم بالاحتياطات اللازمة كي تحفظ الوعاء بعيدًا عن أي أطعمة، ثم اكتب عليه محذرًا، في بطاقة: ممنوع الاستخدام. دع الخليط يتجمد ويُصبح مادة صلبة.

بعد أن يتجمد الخليط، خذه وانظر فيه عن كثب. ستُلاحظ أن مكعب الثلج المتكونَ رائقٌ من الخارج يتخلله الدليل متجمعًا كلُّه في المنتصف، ويتحول لون الدليل المنعزل في الوسط إلى اللون الأصفر.

ثمة تقنية في الصناعة تُعرَف باسم «التنقية بالعزل» تُستخدَم لتنقية المعادن، وفي هذه التقنية تُبرَّد المعادن ببطء بداية من أحد طرَفَي قضيب معدني مصهور. وتُضغَط الشوائب إلى قاع المادة حيث يُمكن التخلص منها. في حالة مكعب الثلج، أخذ الماءُ في التجمُّد ببطء بداية من جوانب الوعاء، وكما رأينا، فإن الماء دفع الدليل إلى خارج الخليط إلى منتصف مكعب الثلج، وتحول الدليل إلى لونه الأصلي عندما كان مركزًا في زجاجته بسبب دفعه خارج المحلول إلى المركز. ويُمكن رؤية التنقية بالعزل في الثلج أيضًا في مكعبات الثلج المنتظمة الشكل، حيث يكون الجانب الخارجي للثلج شفافًا في حين يكون داخله صلبًا وكثيف البياض، وتتكون هذه المنطقة الكثيفة البياض في المنتصف عندما تُدفَع الغازات المذابة في صنبور الماء إلى وسط مكعب الثلج بالتجمد.