خلاصه درس فصل ۲ علوم هشتم؛ درسنامه و نکات مهم

یک لیوان شیر تازه را تصور کن که مدتی در هوای گرم مانده است. ممکن است بو و مزهٔ آن عوض شود و دیگر خواص شیر تازه را نداشته باشد. در تغییر شیمیایی، ماده یا مواد تازه‌ای با خواص متفاوت به وجود می‌آیند. برای همین، ترش شدن شیر فقط عوض شدن ظاهر آن نیست. زنگ زدن آهن و فاسد شدن سیب هم نمونه‌های آشنای تغییر شیمیایی‌اند. در مقابل، در تغییر فیزیکی، مانند خرد کردن کاغذ، جنس ماده عوض نمی‌شود. برای تشخیص، از خودت بپرس: «آیا مادهٔ تازه‌ای تشکیل شده یا فقط شکل و حالت ماده تغییر کرده است؟»

تغییر شیمیایی همیشه اتفاق بدی نیست! هنگام پختن غذا، تغییرهایی رخ می‌دهد که می‌تواند گوارش آن را برای بدن آسان‌تر کند. در مقابل، فاسد شدن مواد غذایی باعث هدر رفتن خوراک و هزینه می‌شود. زنگ زدن آهن نیز ممکن است به وسایل و سازه‌ها آسیب بزند. پس برای داوری دربارهٔ مفید یا مضر بودن، باید به پیامد تغییر توجه کنیم، نه فقط نام آن. این تغییرها در گذر زمان ظاهر محیط زندگی را هم عوض می‌کنند؛ مثلاً زنگ‌زدگی وسایل یا آتش‌سوزی جنگل می‌تواند چهرهٔ یک مکان را تغییر دهد.

مواد، انرژی شیمیایی ذخیره‌شده دارند و تغییرهای مواد با تغییر انرژی همراه‌اند. برای بررسی این موضوع، می‌توانیم دمای یک آزمایش را پیش و پس از تغییر مقایسه کنیم. در آزمایش قرص جوشان، ابتدا دمای آب اندازه‌گیری می‌شود؛ سپس قرص‌ها را در آب می‌اندازیم و بعد دوباره دما را می‌خوانیم. اندازه‌گیری اول، مبنای مقایسه است؛ بدون آن نمی‌دانیم دما بالا رفته یا پایین آمده است. کاهش دما می‌تواند نشان دهد که فرایند از محیط اطراف گرما گرفته است و افزایش دما می‌تواند نشانهٔ آزاد شدن گرما باشد. فقط مشاهدهٔ حباب برای قضاوت دربارهٔ تغییر دما کافی نیست.

برای تشخیص تغییر شیمیایی، دنبال شواهدی مانند تغییر رنگ، تولید گاز یا تغییر دما می‌گردیم؛ اما باید آنها را در کنار هم و با توجه به نوع ماده بررسی کنیم. هر حبابی نشانهٔ مادهٔ تازه نیست؛ هنگام جوشیدن آب هم حباب می‌بینیم، ولی آب فقط به بخار تبدیل می‌شود. در آزمایش تخم‌مرغ در سرکه، واکنش پوسته با سرکه و تولید گاز، شواهد تغییر شیمیایی‌اند. بعضی تغییرهای شیمیایی را موجودات زنده انجام می‌دهند. برای نمونه، لاکتوباسیل در تبدیل شیر به ماست نقش دارد. بنابراین، نباید همهٔ باکتری‌ها را عامل فساد بدانیم؛ بسیاری از آنها برای ما مفیدند.

یکی از راه‌های استفاده از انرژی شیمیایی مواد، سوزاندن آنهاست. وقتی سوختی مانند چوب یا گاز طبیعی می‌سوزد، تغییر شیمیایی رخ می‌دهد و انرژی به صورت نور و گرما آزاد می‌شود. ما از این انرژی برای پختن غذا، گرم کردن خانه و کارهای دیگر استفاده می‌کنیم. اما آزاد شدن انرژی به‌تنهایی کافی نیست؛ سوختن باید مهار شود. شعلهٔ مهارشدهٔ اجاق به کار ما می‌آید، ولی آتشی که در جنگل گسترش پیدا کند، به جانداران و محیط آسیب می‌زند. پس یک فرایند شیمیایی می‌تواند بسته به شرایط، سودمند یا خسارت‌بار باشد.

وقتی غذا را روی اجاق گرم می‌کنیم، از انرژی شیمیایی ذخیره‌شده در سوخت کمک می‌گیریم. سوختن یکی از راه‌های آزاد کردن این انرژی است و با تولید نور و گرما همراه می‌شود. در این فرایند، مواد تازه‌ای ساخته می‌شوند؛ به همین دلیل سوختن یک تغییر شیمیایی است، نه فقط تغییر شکل یا حالت ماده.

برای نمونه، ذوب شدن موم کنار شعله با سوختن آن یکسان نیست: ذوب شدن، تغییر حالت است؛ اما هنگام سوختن، ماده وارد واکنش شیمیایی می‌شود. این انرژی زمانی به کارمان می‌آید که سوختن را مهار کنیم. شعلهٔ کنترل‌شدهٔ اجاق غذا را می‌پزد، ولی آتش مهارنشده می‌تواند به خانه یا جنگل آسیب بزند.

در آزمایش شمع و ظرف وارونه، هوای درون ظرف محدود است. شمع هنگام سوختن اکسیژن مصرف می‌کند و چون هوای تازه وارد نمی‌شود، پس از مدتی خاموش می‌شود. لازم نیست تمام اکسیژن ظرف تمام شود؛ کافی است مقدار آن برای ادامهٔ سوختن مناسب نباشد.

اگر شرایط دیگر یکسان باشد، ظرفی که هوای بیشتری در خود دارد، اکسیژن بیشتری هم دارد؛ بنابراین انتظار داریم شمع در آن دیرتر خاموش شود. برای مقایسهٔ درست، باید شمع‌ها و شرایط شروع آزمایش مشابه باشند. در نمودار کتاب، حجم هوا روی محور افقی و زمان روشن ماندن روی محور عمودی قرار می‌گیرد.

همهٔ هوا اکسیژن نیست؛ حدود $21\%$ هوا را اکسیژن تشکیل می‌دهد و بخش عمدهٔ آن نیتروژن است. رسیدن اکسیژن بیشتر می‌تواند سوختن را شدیدتر کند؛ به همین علت زغال نیم‌افروخته در برابر اکسیژن بیشتر، پرنورتر می‌سوزد. آزمایش‌های آتش را فقط با نظارت معلم انجام بده.

برای روشن شدن و ادامهٔ سوختن، سه شرط را با هم در نظر می‌گیریم: مادهٔ سوختنی، اکسیژن و گرمای کافی. این سه را گوشه‌های «مثلث آتش» می‌نامیم. در شمع، پارافین مادهٔ سوختنی است، اکسیژن از هوا می‌رسد و شعلهٔ کبریت گرمای آغاز واکنش را فراهم می‌کند. پس از شروع، گرمای خود سوختن به ادامهٔ آن کمک می‌کند.

نکتهٔ کاربردی مثلث آتش این است: اگر یکی از این سه شرط را حذف کنیم، سوختن متوقف می‌شود. مثلاً بستن شیر گازِ اجاق، رسیدن سوخت را قطع می‌کند. پوشاندن مناسب آتش نیز می‌تواند دسترسی آن به اکسیژن را محدود کند.

البته روش خاموش کردن به نوع آتش بستگی دارد؛ آب برای همهٔ آتش‌ها مناسب نیست. اگر با آتش واقعی روبه‌رو شدی، خودت آزمایش نکن؛ از محل خطر دور شو و به بزرگ‌ترها و آتش‌نشانی خبر بده.

در واکنش سوختن شمع، پارافین و اکسیژن موادی هستند که وارد تغییر شیمیایی می‌شوند؛ به آن‌ها واکنش‌دهنده می‌گوییم. بخار آب و کربن دی‌اکسید مواد تازهٔ حاصل از این تغییرند؛ پس فراورده هستند. نور و گرما نیز آزاد می‌شوند، اما ماده نیستند. پارافین یک هیدروکربن است؛ یعنی از دو عنصر کربن و هیدروژن ساخته شده است.

نمای سادهٔ سوختن شمع چنین است:

$\text{پارافین}+\text{اکسیژن}\xrightarrow{\text{گرما}}\text{کربن دی‌اکسید}+\text{بخار آب}+\text{نور و گرما}$

سوختن چوب یا گاز در فضای بسته و بدون جریان مناسب هوا می‌تواند کربن مونوکسید هم تولید کند. این گاز با کربن دی‌اکسید فرق دارد و بسیار سمی است. چون رنگ و بو ندارد، نمی‌توان با نگاه کردن یا بو کشیدن از نبودنش مطمئن شد. تهویهٔ مناسب، سالم بودن وسیلهٔ گازسوز و باز بودن مسیر دودکش برای پیشگیری ضروری‌اند؛ کمی باز بودن پنجره جای بررسی دودکش را نمی‌گیرد.

برای سوختن، مادهٔ سوختنی، اکسیژن و گرما باید کنار هم باشند؛ نبودن هرکدام مانع سوختن می‌شود. در شمع، پارافین مادهٔ سوختنی است و اکسیژن از هوا می‌رسد.

حالا مواد را بر اساس نقششان دسته‌بندی کنیم: موادی که وارد تغییر شیمیایی می‌شوند، واکنش‌دهنده هستند؛ مواد تازه‌ای که ساخته می‌شوند، فراورده نام دارند. پس شمع و اکسیژن واکنش‌دهنده‌اند و بخار آب و کربن دی‌اکسید فراورده‌اند. نور و گرما هم آزاد می‌شوند، ولی مادّهٔ تازه نیستند.

چون این فراورده‌ها معمولاً دیده نمی‌شوند، به دنبال نشانه می‌گردیم: بخار آب روی سطح سرد به قطره‌های آب تبدیل می‌شود و کربن دی‌اکسید، آب آهک را شیری می‌کند. برای دیدن این شواهد، فقط آزمایش طراحی‌شده زیر نظر معلم را بررسی کن؛ نزدیک کردن دست یا ظرف به شعله می‌تواند خطرناک باشد.

سوختن همیشه فقط فراورده‌هایی مانند کربن دی‌اکسید و بخار آب ندارد. وقتی چوب یا گاز در فضای بسته و با هوارسانی ناکافی می‌سوزد، ممکن است کربن مونوکسید هم تولید شود. این گاز بسیار سمی است و چون رنگ و بو ندارد، نمی‌توان به چشم و بینی برای تشخیص آن تکیه کرد.

برای ایمنی، وسایل گرمایشی باید سالم باشند، دودکش درست کار کند و هوای تازه به اندازهٔ کافی برسد. کمی باز بودن پنجره، جای بررسی سلامت وسیله و دودکش را نمی‌گیرد. اگر به وجود این گاز شک کردی، برای پیدا کردن منشأ آن در اتاق نمان؛ به هوای آزاد برو و از یک بزرگ‌تر و نیروهای امدادی کمک بخواه. نام شبیه «کربن دی‌اکسید» و «کربن مونوکسید» نباید باعث شود آن‌ها را یک گاز بدانیم.

تا اینجا دیدیم که سوختن، گرما آزاد می‌کند؛ اما شروع سوختن هم به گرما نیاز دارد. این دو نکته با هم تناقض ندارند: ابتدا باید گرمای لازم برسد تا واکنش آغاز شود؛ سپس سوختن می‌تواند گرما آزاد کند.

این گرمای آغازین همیشه از شعلهٔ کبریت نمی‌آید. جرقه هم می‌تواند آن را فراهم کند. در آزمایش کتاب، تماس دو قطب باتری با رشته‌های بسیار نازک سیم ظرف‌شویی، باعث عبور جریان و گرم شدن رشته‌ها می‌شود و می‌تواند سوختن را آغاز کند. این فعالیت را به‌تنهایی انجام نده؛ سیم داغ می‌شود و خطر آتش‌سوزی دارد.

همین نکته کمک می‌کند بفهمیم چرا نزدیک بخار بنزین باید از شعله و جرقه دوری کرد: یک منبع کوچک گرما هم ممکن است آغازگر سوختن باشد.

برای راه رفتن، فکر کردن و حتی وقتی آرام نشسته‌ای، بدنت به انرژی نیاز دارد. این انرژی از مواد غذایی به دست می‌آید؛ یعنی غذا در خود انرژی شیمیایی ذخیره دارد. اگر ماده‌ای مانند بادام‌زمینی را بیرون از بدن بسوزانیم، بخشی از این انرژی به صورت گرما آزاد می‌شود و می‌تواند آب را گرم کند.

بدن هم از انرژی شیمیایی غذا استفاده می‌کند، اما قرار نیست درون آن آتش روشن شود! نکتهٔ اصلی این است که آزاد شدن انرژی غذا با تغییر شیمیایی همراه است. پس غذا فقط چیزی برای پر شدن معده نیست؛ منبع انرژی فعالیت‌های بدن هم هست.

در آزمایش کتاب، رفتار قند ساده با قندی که به خاک مرطوب باغچه آغشته شده مقایسه می‌شود. قند آغشته به خاک، آسان‌تر می‌سوزد و پس از دور شدن از شعله هم به سوختن ادامه می‌دهد. نتیجه این نیست که خاک، غذای قند یا منبع اصلی انرژی آن است؛ در خاک ماده‌ای وجود دارد که انجام تغییر شیمیایی را آسان‌تر می‌کند. به چنین ماده‌ای کاتالیزگر می‌گویند.

در بدن نیز کاتالیزگرهایی به نام آنزیم وجود دارند. آن‌ها کمک می‌کنند تغییرهای شیمیایی سریع‌تر انجام شوند. پس آنزیم را با منبع انرژی اشتباه نگیر: غذا منبع انرژی است و آنزیم به انجام تغییر کمک می‌کند. آزمایش قند و شعله را به‌تنهایی در خانه انجام نده.

حالا می‌توانیم سرنوشت یکی از مواد غذایی، یعنی گلوکز، را دنبال کنیم. در بدن، گلوکز با اکسیژن هوا ترکیب می‌شود. این تغییر در حضور آنزیم انجام می‌گیرد و همراه با آزاد شدن انرژی، کربن دی‌اکسید و آب به وجود می‌آیند؛ کتاب از آبِ تولیدشده به صورت بخار آب یاد می‌کند.

برای مرتب کردن ماجرا، مواد آغازین را از مواد تولیدشده جدا کن: گلوکز و اکسیژن در آغاز شرکت دارند؛ کربن دی‌اکسید و آب تولید می‌شوند. انرژی هم آزاد می‌شود و بدن از آن برای فعالیت استفاده می‌کند. آنزیم کمک‌کنندهٔ این تغییر است، نه یکی از مواد تولیدشده. این ماجرا توضیح می‌دهد چرا بدن هم به غذا نیاز دارد و هم به اکسیژن.

آیا برای استفاده از انرژی شیمیایی هر ماده‌ای باید آن را آتش بزنیم؟ باتری نشان می‌دهد که پاسخ منفی است. در فعالیت کتاب، با فلزهایی مانند مس و آهن، لیموترش و سیم می‌توان یک باتری ساده ساخت. فلزها باید در شرایط مناسب در لیمو قرار بگیرند و با اتصال درست، بخشی از یک مدار شوند؛ تماس دادن دو فلز با یکدیگر به‌تنهایی کافی نیست.

در این مجموعه، تغییرهای شیمیایی امکان تولید انرژی الکتریکی را فراهم می‌کنند. اگر شرایط مدار مناسب باشد، می‌توان از آن برای روشن کردن چراغ استفاده کرد. پس انرژی شیمیایی همیشه به شکل گرمای حاصل از سوختن به کار گرفته نمی‌شود؛ در باتری، انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود.

وقتی از انرژی شیمیایی حرف می‌زنیم، شاید اول یاد سوختن بنزین یا گاز بیفتی؛ اما سوختن تنها راه استفاده از این انرژی نیست. در آزمایش کتاب، تیغه‌های مسی و آهنی همراه با لیموترش، در یک چیدمان مناسب، نقش باتری را دارند. تیغه‌ها در لیمو قرار می‌گیرند و با سیم به مدار متصل می‌شوند؛ نباید داخل لیمو به هم برخورد کنند. تغییرهای شیمیایی این مجموعه می‌توانند انرژی الکتریکی تولید کنند.

پس فقط چسباندن دو فلز به هم کافی نیست؛ شرایط واکنش و اتصال درست مدار هم اهمیت دارد. باتری ساعت و تلفن همراه نیز از انرژی شیمیایی استفاده می‌کند، هرچند مواد و ساختمان آن با باتری لیمویی فرق دارد. این نمونه نشان می‌دهد برای گرفتن انرژی از مواد، همیشه به شعله نیاز نداریم.

حالا سراغ قرص جوشان برویم. وقتی آن را در آب می‌اندازی، حباب‌هایی دیده می‌شود. اسیدهای موجود در قرص با جوش شیرین واکنش می‌دهند و مواد تازه‌ای، از جمله گاز کربن دی اکسید، به وجود می‌آیند. فرمول این گاز $CO_2$ است.

آب شرایط تماس و واکنش مواد قرص را فراهم می‌کند؛ حباب‌ها فقط هوای پنهان‌شده در قرص نیستند. نکتهٔ مهم این است که دیدن حباب، به‌تنهایی نام گاز را به ما نمی‌گوید. در اینجا نام گاز را از شناخت واکنش می‌دانیم. همچنین قرص صرفاً مانند قند در آب پخش نمی‌شود؛ در کنار حل شدن مواد، تغییر شیمیایی و تولید مادهٔ تازه هم رخ می‌دهد.

تولید گاز فقط یک نشانهٔ دیدنی نیست؛ می‌توان از آن برای حرکت دادن جسم استفاده کرد. در نمایش قوطیِ کتاب، گاز در فضای بسته جمع می‌شود و فشار داخل را افزایش می‌دهد. وقتی درِ قوطی جدا می‌شود، خروج گاز می‌تواند باعث حرکت قوطی شود. پس تغییر شیمیایی، در شرایط مناسب، به جابه‌جایی جسم کمک کرده است؛ یعنی کار انجام داده است.

فرق این نمونه با باتری لیمویی در نتیجهٔ قابل مشاهده است: آنجا انرژی الکتریکی تولید می‌شود و اینجا حرکت می‌بینیم. انرژی از هیچ به وجود نیامده؛ سرچشمهٔ آن انرژی شیمیایی مواد است.

نکتهٔ ایمنی: آزمایش ظرف دربسته و پرتاب‌شونده را به‌تنهایی انجام نده و برای افزایش پرتاب، مواد بیشتری اضافه نکن؛ بررسی عملی آن باید زیر نظر معلم و با تدابیر ایمنی باشد.