نسخة الفيديو النصية
يوضح الشكل الآتي خمس كئوس زجاجية تحتوي على شاي عند درجات حرارة مختلفة. وضعت كتل متساوية من السكر في الكئوس الزجاجية. وقلبت بعض الكئوس الزجاجية. ما الترتيب المرجح لمعدل ذوبان السكر بالكامل في كل كأس زجاجية، من الأسرع إلى الأبطأ؟
يطلب منا السؤال تحديد السرعات المختلفة التي يذوب بها السكر في هذه الكئوس الزجاجية المختلفة في ظل هذه المجموعات المختلفة من الظروف. بعبارة أخرى، نحن بصدد تحديد معدل الذوبان، وهو ما يمكن تعريفه على أنه المعدل الذي يذوب به المذاب. في المحلول، المذاب، وهو السكر في هذه الحالة، هو المادة الموجودة بكمية أقل، وهي تذوب في مذيب، وهو في هذه الحالة الشاي. يتأثر معدل الذوبان بمقدار التصادمات بين جسيمات المذاب وجسيمات المذيب. ويمكن أن يتأثر مقدار التصادمات الناجحة بين جسيمات المذاب وجسيمات المذيب، ومن ثم معدل الذوبان، بثلاثة عوامل رئيسية: حجم الجسيمات، والتقليب، ودرجة الحرارة.
لنلق نظرة أولًا على كيفية تأثير حجم الجسيمات على معدل الذوبان. يوضح الشكل التداخلات بين المذيب والمذاب عندما تكون جسيمات المذاب كبيرة جدًّا، مثل مكعب سكر. عندما تكون جسيمات المذاب كبيرة، تكون التداخلات مع جسيمات المذيب محدودة للغاية، ولا تحدث إلا على السطح الخارجي للجسيمات الكبيرة، وهو ما يسمى مساحة السطح. وإذا تفككت هذه الجسيمات الكبيرة إلى جسيمات أصغر، تزداد مساحة السطح المعرض للتصادمات المحتملة. ومن ثم، يسمح حجم الجسيمات الأصغر بإذابة المذاب بسرعة أكبر. يتأثر الوقت المستغرق لإذابة المذاب بالتقليب أيضًا. فمن خلال تحريك الجسيمات في محلول عن طريق التقليب، يحدث المزيد من التصادمات بين جسيمات المذيب وجسيمات المذاب ويؤدي إلى تسريع معدل الذوبان. لذلك، فإن تقليب المحلول يزيد من معدل الذوبان.
وأخيرًا، لنلق نظرة على كيفية تأثير درجة الحرارة على معدل الذوبان. يمكن تعريف درجة الحرارة بأنها متوسط طاقة الحركة للجسيمات في المحلول. لذا، إذا كانت درجة حرارة المحلول منخفضة، ينخفض متوسط طاقة الحركة للجسيمات أيضًا. ويعني ذلك أن معدل التصادمات بين جسيمات المذاب وجسيمات المذيب سيكون أقل. ولكن، إذا زادت درجة حرارة المحلول، يزداد متوسط طاقة الحركة للجسيمات. ونظرًا لزيادة السرعة التي تتحرك بها الجسيمات، فسيزيد عدد التصادمات بين جسيمات المذاب وجسيمات المذيب في المحلول. ولذلك، يؤدي ارتفاع درجة الحرارة إلى تسريع معدل الذوبان.
لنلق نظرة الآن على الظروف في كل كأس زجاجية. في كل كأس زجاجية، يكون السكر إما على صورة مكعبات، وهي جسيمات ذات حجم أكبر، أو على صورة بودرة، وهي جسيمات ذات حجم أصغر. بعد ذلك، درجة حرارة الشاي إما 20 درجة سلزية أو 80 درجة سلزية. وبالمقارنة بين درجتي الحرارة المحتملتين، نجد أن درجة حرارة الشاي البالغة 20 درجة سلزية هي الأقل، في حين أن درجة حرارة الشاي البالغة 80 درجة سلزية هي الأعلى. وأخيرًا، إما أن الشاي والسكر لا يقلبان أو يقلبان. وبمعلومية أن كلًّا من الجسيمات الأصغر، وتقليب المحلول، ودرجة الحرارة العالية؛ يؤدي إلى زيادة المعدل الذي يذوب به المذاب، دعونا أولًا نحدد الكأس الزجاجية التي تحتوي على جميع المتغيرات الثلاثة التي تؤدي إلى إذابة السكر بسرعة.
يمكننا ملاحظة أنه في الكأس الزجاجية E توجد جسيمات صغيرة الحجم، ودرجة حرارة عالية، وتقليب. من المرجح إذن أن يذوب السكر الموجود في الكأس الزجاجية E أسرع من الكئوس الزجاجية الخمس. لنبحث الآن عن الكأس الزجاجية التي لها ظروف معاكسة؛ حيث حجم الجسيمات كبير، ودرجة الحرارة منخفضة، ودون تقليب. يمكننا ملاحظة أن الكأس الزجاجية A تطابق كل هذه الظروف، ومن المرجح أن يكون معدل ذوبان السكر فيها هو الأبطأ. والآن، يمكننا ترتيب الكئوس الزجاجية الثلاث المتبقية من خلال تحديد كيفية المقارنة بينها وبين أبطأ الكئوس الزجاجية وأسرعها في الذوبان A وE. الكأس الزجاجية B مطابقة تقريبًا للكأس الزجاجية A التي تتوفر فيها الظروف المؤدية لمعدل الذوبان الأبطأ، باستثناء حجم الجسيمات. ونظرًا لأن الكأس الزجاجية B تحتوي على جسيمات ذات حجم صغير، فمن المرجح أن يذوب السكر أسرع قليلًا من الكأس الزجاجية A.
وبذلك، يتبقى لدينا الكأسان الزجاجيتان C وD. وكلتاهما تحتوي على جسيمات ذات حجم كبير. ولكن، درجة حرارتهما عالية أيضًا، وهو ما يزيد من معدل الذوبان. ويكمن الاختلاف بينهما في التقليب. ولأن المحلول لا يقلب في الكأس الزجاجية D، فمن المرجح أن يذوب السكر الموجود في الكأس الزجاجية D ببطء أكثر. إذن، الترتيب المرجح للسكر المذاب بالكامل في كل كأس زجاجية من الأسرع إلى الأبطأ هو E، C، D، B، A.
