تمرین کاوش کنید شیمی یازدهم صفحه 55
درباره‌ی «اثر نوع و مقدار ماده بر انرژی آن» کاوش کنید.
وسایل و مواد مورد نیاز: چراغ الکلی یا شمع، لوله‌ی آزمایش بزرگ، دماسنج، پایه، میله، گیره، انبر، ماکارونی و مغز گردو.
هشدار: از عینک ایمنی استفاده نموده و نکات ایمنی را هنگام کار با چراغ بونزن رعایت کنید.
1. یک لوله‌ی آزمایش بزرگ را با گیره به پایه و میله وصل کنید.
2. درون آن تا $\mathbf{60 \text{ mL}}$ آب بریزید و دمای آن را اندازه گیری کنید (توجه داشته باشید که دماسنج با بدنه لوله تماس نداشته باشد).
3. یک گرم یا $\mathbf{1 \text{ گرم}}$ مغز گردو را با انبر یا میله نازک تا شعله ور شدن روی شعله بگیرید. بلافاصله آن را تا سوختن کامل زیر لوله‌ی آزمایش نگهدارید. پس از سوختن کامل و خاموش شدن شعله، دمای پایانی آب را یادداشت کنید.
پاسخ و توضیح آزمایش 1-3 تمرین کاوش کنید صفحه 55 شیمی یازدهم
این بخش مقدمه‌ای برای انجام یک آزمایش $\mathbf{\text{کالری‌سنجی ساده}}$ است که هدف آن درک $\mathbf{\text{مفهوم انرژی نهفته در مواد}}$ و اندازه‌گیری آن به صورت عملی است. 💡
---
## تحلیل مراحل آزمایش (کالری‌سنجی مواد غذایی)
### 1. تنظیم دستگاه
* $\mathbf{\text{ایمنی:}}$ استفاده از عینک ایمنی و رعایت نکات ایمنی هنگام کار با شعله $\mathbf{\text{الزامی}}$ است. 🔥
* $\mathbf{\text{گرمایش یکنواخت:}}$ لوله‌ی آزمایش بزرگ به عنوان محفظه‌ی آب عمل می‌کند و $\mathbf{\text{تضمین می‌کند که گرمای }}$ حاصل از سوختن، آب را گرم کند.
### 2. اندازه‌گیری دمای آب
* $\mathbf{\text{آب:}}$ آب به عنوان $\mathbf{\text{ماده‌ای با ظرفیت گرمایی مشخص}}$ ($athbf{\text{c}}$) برای $\mathbf{\text{جذب انرژی}}$ آزاد شده از ماده سوختنی استفاده می‌شود. حجم ثابت $\mathbf{60 \text{ mL}}$ (یا $\mathbf{60 \text{ g}}$) امکان مقایسه را فراهم می‌کند.
* $\mathbf{\text{دماسنج:}}$ $\mathbf{\text{اندازه‌گیری دمای اولیه } (T_i)}$ ضروری است. توجه به $\mathbf{\text{عدم تماس دماسنج با شیشه لوله}}$ از این جهت مهم است که $\mathbf{\text{تنها دمای آب}}$ را اندازه بگیریم، نه دمای شیشه‌ی داغ.
### 3. سوختن ماده غذایی (گردو)
* $\mathbf{\text{گردو:}}$ $\mathbf{\text{مغز گردو}}$ (یک ماده‌ی چرب) به عنوان $\mathbf{\text{سوخت}}$ عمل می‌کند. $\mathbf{\text{سوزاندن آن به صورت کامل}}$ (احتراق کامل) برای اطمینان از $\mathbf{\text{آزادسازی حداکثر انرژی شیمیایی}}$ آن است.
* $\mathbf{\text{گرمای آزاد شده:}}$ گرمای آزاد شده از سوختن $\mathbf{1 \text{ گرم گردو}}$ توسط $\mathbf{\text{آب}}$ جذب می‌شود. افزایش دما ($athbf{\Delta T = T_f - T_i}$) مستقیماً با $\mathbf{\text{انرژی }}$ آزاد شده متناسب است.
$$\mathbf{\text{انرژی آزاد شده } (q) = m_{\text{آب}} \times c_{\text{آب}} \times \Delta T}$$
**یادداشت‌برداری:** $\mathbf{\text{دمای پایانی } (T_f)}$ برای محاسبه‌ی $athbf{\Delta T}$ ثبت می‌شود.
**هدف کلی:** این آزمایش نشان می‌دهد که $\mathbf{\text{مواد غذایی مختلف}}$ (و مقادیر مختلف از یک ماده) $\mathbf{\text{انرژی شیمیایی}}$ ذخیره شده‌ی متفاوتی دارند که از طریق سوختن و اندازه‌گیری افزایش دمای آب قابل اندازه‌گیری است.
تمرین کاوش کنید شیمی یازدهم صفحه 55
4. آزمایش را جداگانه با $\mathbf{2 \text{ گرم مغز گردو}}$ و همچنین با $\mathbf{2 \text{ گرم ماکارونی}}$ تکرار و جدول زیر را کامل کنید، سپس به پرسش‌های مطرح شده پاسخ دهید.
[جدول اندازه‌گیری دمای آب در 3 آزمایش مختلف]
| شماره آزمایش | ماده غذایی | دمای آغازی آب ($athbf{^irc C}$) | دمای پایانی آب ($athbf{^irc C}$) |
| :---: | :---: | :---: | :---: |
| 1 | $\mathbf{1 \text{ گرم مغز گردو}}$ | $\dots$ | $\dots$ |
| 2 | $\mathbf{2 \text{ گرم مغز گردو}}$ | $\dots$ | $\dots$ |
| 3 | $\mathbf{2 \text{ گرم ماکارونی}}$ | $\dots$ | $\dots$ |
الف) با توجه به اینکه در آزمایش $\mathbf{1}$ و $\mathbf{2}$، $\mathbf{\text{نوع ماده‌ای}}$ که می‌سوزد یکسان است، چرا $\mathbf{\text{تغییر دمای آب}}$ تفاوت دارد؟
ب) با توجه به اینکه در آزمایش $\mathbf{2}$ و $\mathbf{3}$، $\mathbf{\text{مقدار ماده‌ای}}$ که می‌سوزد یکسان است، چرا $\mathbf{\text{تغییر دمای آب}}$ تفاوت دارد؟
پ) یافته‌های خود را از این آزمایش جمع‌بندی کنید.
پاسخ و توضیح آزمایش 4 تمرین کاوش کنید صفحه 55 شیمی یازدهم
این بخش کلیدی آزمایش است که $\mathbf{\text{متغیرهای مهم در انرژی آزاد شده}}$ از احتراق مواد را بررسی می‌کند: $\mathbf{\text{مقدار ماده}}$ و $\mathbf{\text{نوع ماده}}$. 📈
---
## الف) مقایسه‌ی آزمایش 1 و 2 (تأثیر مقدار ماده)
* **تفاوت:** در آزمایش $\mathbf{2}$ ($athbf{2 \text{ گرم گردو}}$)، $\mathbf{\text{مقدار ماده سوختنی دو برابر}}$ آزمایش $\mathbf{1}$ ($athbf{1 \text{ گرم گردو}}$) است.
* **انتظار برای دما:** $\mathbf{\text{تغییر دما در آزمایش } 2}$ $\mathbf{\text{باید تقریباً دو برابر}}$ $\mathbf{\text{تغییر دما در آزمایش } 1}$ باشد.
**توضیح دلیل تفاوت دما:** $\mathbf{\text{تغییر دمای آب}}$ به $\mathbf{\text{انرژی کل}}$ آزاد شده از سوختن ماده بستگی دارد. از آنجا که $\mathbf{\text{مقدار ماده سوختنی دو برابر}}$ شده است، $\mathbf{\text{دو برابر گرما}}$ آزاد می‌شود. این رابطه مستقیم بین $\mathbf{\text{مقدار ماده}}$ و $\mathbf{\text{انرژی کل}}$ آزاد شده، نشان‌دهنده‌ی $\mathbf{\text{خاصیت مقداری (Extensive Property)}}$ بودن انرژی کل است.
---
## ب) مقایسه‌ی آزمایش 2 و 3 (تأثیر نوع ماده)
* **مقدار مشترک:** در هر دو آزمایش، $\mathbf{2 \text{ گرم ماده}}$ سوخته شده است ($athbf{2 \text{ گرم گردو}}$ و $\mathbf{2 \text{ گرم ماکارونی}}$).
* **انتظار برای دما:** $\mathbf{\text{تغییر دمای آب}}$ در این دو آزمایش $\mathbf{\text{تفاوت قابل توجهی}}$ خواهد داشت (گردو بسیار بیشتر).
**توضیح دلیل تفاوت دما:** اگرچه $\mathbf{\text{مقدار ماده یکسان}}$ است، اما $\mathbf{\text{انرژی شیمیایی نهفته}}$ در $\mathbf{\text{هر نوع ماده غذایی}}$ $\mathbf{\text{متفاوت}}$ است. $\mathbf{\text{گردو}}$ عمدتاً از $\mathbf{\text{چربی}}$ تشکیل شده است، در حالی که $\mathbf{\text{ماکارونی}}$ عمدتاً $\mathbf{\text{کربوهیدرات}}$ (نشاسته) است.
* $\mathbf{\text{چربی‌ها}}$ (گردو) به ازای هر گرم، $\mathbf{\text{انرژی بیشتری}}$ (حدود $\mathbf{9 \text{ کیلوکالری/گرم}}$) نسبت به $\mathbf{\text{کربوهیدرات‌ها}}$ (ماکارونی) ($athbf{\text{حدود } 4 \text{ کیلوکالری/گرم}}$) آزاد می‌کنند.
بنابراین، $\mathbf{\text{افزایش دما در آزمایش } 2 \text{ (گردو)}}$ $\mathbf{\text{بسیار بیشتر}}$ از آزمایش $\mathbf{3}$ خواهد بود. این نشان‌دهنده‌ی $\mathbf{\text{خاصیت مقداری انرژی ویژه}}$ (انرژی در واحد جرم) است.
---
## پ) جمع‌بندی یافته‌ها
یافته‌های کلیدی این آزمایش عبارتند از:
1. **انرژی کل با مقدار ماده متناسب است:** $\mathbf{\text{انرژی کل}}$ آزاد شده از سوختن یک ماده، $\mathbf{\text{مستقیماً با جرم }}$ آن ماده $\mathbf{\text{متناسب}}$ است.
2. **انرژی ویژه به نوع ماده وابسته است:** $\mathbf{\text{میزان انرژی}}$ آزاد شده به ازای یک واحد جرم (انرژی ویژه) یک $\mathbf{\text{خاصیت ذاتی}}$ ماده است و به $\mathbf{\text{ساختار شیمیایی}}$ آن بستگی دارد (چربی‌ها انرژی بیشتری نسبت به کربوهیدرات‌ها دارند).
3. **تبدیل انرژی:** $\mathbf{\text{انرژی شیمیایی نهفته}}$ در پیوندهای مواد، هنگام $\mathbf{\text{سوختن}}$ به $\mathbf{\text{انرژی گرمایی}}$ تبدیل می‌شود و این گرما قابل اندازه‌گیری است (اساس $\mathbf{\text{کالری‌سنجی}}$). 🌡️
