أساسيات العلوم المدرسية
تجوَّلْ في مختبر فصل دراسي واكتشِفْ كيفية عمل الأجهزة العلمية في مدرستك
بقلم: سكوت داتفيلد
توليد الحرارة
ما قيمة مختبر المدرسة من دون موقد بنزن الأيقوني؟ هذه الأجهزة الأساسية للتجارب موجودة منذ أن اخترعها الكيميائي الألماني روبرت بنزن Robert Bunsen في العام 1855. وبعد أن ضاق ذرعًا بالدخان الكثيف الذي كانت تطلقه المواقد القديمة، ابتكر بنزن طريقة للتحكم في كمية الأكسجين الآتية من الهواء والمختلطة بوقود الغاز داخل الموقد، من دون إنتاج السناج Soot.
كان تصميمه شبيهًا بالجهاز العصري، بما في ذلك الأنبوب الذي يشبه المدخنة والفتحات القابلة للتعديل التي تتيح التحكم في شدة اللهب المنبعث من الموقد. وكلما زادت كمية الهواء الداخلة إلى الموقد، صار اللهب أكثر حرارة. أتاح موقد بنزن للكيميائيين دراسة ألوان اللهب المختلفة الناتجة عن تسخين عناصر متنوعة. وبالتعاون مع الكيميائي الألماني الآخر غوستاف كيرشوف Gustav Kirchhoff، توصل بنزن إلى عديد من الاكتشافات باستخدام موقده الجديد، مثل لهب الثاليوم Thallium الأخضر الزيتوني والأزرق النيلي للإنديوم Indium.
إشعال النار
كيف يؤدي تغيُّر تدفق الهواء إلى إنتاج أنواع مختلفة من اللهب
1 الأنبوب Barrel:
يتدفق الهواء والوقود عبْر الأنبوب، المعروف أيضًا باسم المدخنة Chimney، إلى الفتحة.
2 الطوق Collar
يُعرف الطوق أيضًا باسم منظم الهواء، وهو قطعة معدنية دوارة تزيد سحب الهواء عند تدويرها في اتجاه عقارب الساعة، وتقلل السحب عند تدويرها عكس اتجاه عقارب الساعة.
3 فتحة الهواء Air Hole
يتدفق الهواء إلى الموقد عبر فتحتي الهواء الموجودتين في الطوق.
4 خرطوم الغاز Gas Hose
يوصِّل الموقد بمصدر الغاز الرئيسي، والذي يُتحكم فيه من خلال الصنبور.
5 القاعدة Base
تدعم القاعدةُ المعززة بثقل الموقدَ، وتمنعه من ملامسة سطح العمل.
6 المخروط الخارجي Outer Cone
المخروط الخارجي الثانوي هو لهب عديم اللون وأبرد، يحيط بالمخروط الداخلي.
7 المخروط الداخلي Inner Cone
المخروط الداخلي هو المنطقة الأسخن في اللهب، حيث يمكن أن تصل حرارته إلى 1.500°س.
1 مغلق Closed
عندما تُغلق فتحة الهواء تمامًا، يتكوّن المخروط الخارجي الناتج بلون أزرق حار يمكن أن تصل درجة حرارته إلى 700°س.
2 نصف مفتوح Half Open
مع مرور نصف كمية الهواء فقط عبْر الأنبوب، يتكوَّن مخروط خارجي أزرق تصل درجة حرارته إلى نحو 500°س.
3 مفتوح Open
عندما تكون فتحة الهواء مفتوحة بالكامل، يصل المخروط الخارجي ذو اللهب الأصفر إلى نحو 300°س.
التحكم في تدفق التيار
عندما تدرس الدوائرَ الكهربائية في المدرسة، يُرجَّح أن تجد مقاومة متغيرة (ريوستات) Rheostat في متناول يدك. هذه الأجهزة هي مقاومات قابلة للتعديل يمكنها تغيير تدفق التيار الكهربائي عبر الدائرة. يستخدم الجهاز مبدأً فيزيائيًا يسمى قانون أوم Ohm’s law، الذي يوضح العلاقة بين المقاومة وتدفق التيار: كلما زادت المقاومة، قل التيار، والعكس صحيح. لتحقيق ذلك، يستخدم الريوستات سلكًا ملفوفًا حول أسطوانة يوجد في أعلاه شريط منزلق Slider. عند وضعه في الدائرة، يتدفق التيار عبر الملف السلكي ويخرج من الطرف الآخر. ولكن يمكن تحريك الشريط المنزلق لزيادة أو تقليل طول الملف الذي يجب أن يمر فيه التيار قبل أن يغادر الريوستات. وتحدد هذه الحركة مقدار المقاومة المطبقة على التيار. فكلما زاد طول الملف الذي يمر فيه التيار، زادت المقاومة التي يواجهها.
فاحص الرقم الهيدروجيني PH
منذ القرن الرابع عشر، بدأنا في استخدام ورق عباد الشمس Litmus paper لقياس «إمكانات الهيدروجين» Potential of hydrogen، أو مستوى الرقم الهيدروجيني (الأس الهيدروجيني) pH، للمحاليل. صُمم ورق عباد الشمس، باعتباره مؤشرًا كيميائيًا، بحيث يتغير لونه عند تعرضه للمحاليل الحمضية أو القلوية أو المتعادلة. يحدث ذلك عن طريق تفاعله مع نوعين مختلفين من الأيونات: تحتوي الأحماض Acids على أيونات الهيدروجين الموجبة الشحنة، في حين تحتوي المحاليل القلوية Alkali solutions على أيونات الهيدروكسيد السالبة الشحنة. عندما يكون المحلول متعادلًا، فإن الأيونات الموجبة والسالبة الشحنة تتوازن بعضها مع بعض.
لصنع هذا الكاشف الكيميائي، يشرّب سليلوز الخشب Wood cellulose بالأشنات Lichen، التي تحتوي على مركبات تتفاعل مع الأيونات وتغير لون الورق. لكن ورق عباد الشمس لا يمكنه الإشارة إلا إلى ما إذا كان المحلول حمضيًا أو قلويًا، من دون تحديد درجة الحموضة أو القلوية. وهنا يأتي دور نوع آخر من الورق الكاشف، يسمى «ورق الرقم الهيدروجيني الشامل» Universal pH paper. بدلًا من الأشنات، يستخدم هذا الورق مزيجًا من المركبات الكيميائية التي تشمل الأفين Avin، الذي يتفاعل مع أيونات الهيدروجين والهيدروكسيد. يوفر هذا الورق مقياسًا متدرجًا يتراوح من 0 إلى 14 لقياس الرقم الهيدروجيني. تعتبر النتيجة في منتصف النطاق متعادلة، مع تسجيل الأحماض أقل من 7 والقلويات أعلى من 7.
1 ورق عباد الشمس الأزرق Blue Litmus
عندما يزيد الرقم الهيدروجيني للمحلول على 7.0، فهو قلوي ولا يغير لون هذا الورق. ولكن عند اختبار محلول حمضي برقم هيدروجيني أقل من 7.0، يتحول لون الورق إلى الأحمر.
2 ورق عباد الشمس الأحمر Red Litmus
عندما يقل الرقم الهيدروجيني للمحلول عن 7.0، فهو حمض ولا يتغير لون ورق عباد الشمس هذا. ولكن مع محلول قلوي برقم هيدروجيني يزيد على 7.0، يتحول لون الورق إلى الأزرق.
3 ورق الرقم الهيدروجيني الشامل Universal Ph Paper
تتحرك هذه الكواشف الكيميائية عبر الطيف الكامل من الألوان لإظهار شدة الحمض أو القلوي، بدءًا من الأحماض ذات اللون الأحمر الطوبي، والأخضر المتعادل والأرجواني القلوي.
إلقاء نظرة من قُرب
يُنسَب إلى صانع النظارات الهولندي زاكارياس يانسن Zacharias Janssen أنه أول من صنع مجهرًا ثنائي العدسات في العالم في العام 1600 تقريبًا، والذي كان في وسعه تكبير الأشياء حتى 30 مرة. ومنذئذٍ تطورت هذه الأداة وتنوعت بقدر كبير لتقدم لنا تكبيرًا ووضوحًا غير عاديين. يمكن للمجهر ذي الدقة الأعلى في العالم، الذي يستخدم طريقة تسمى البيتكوغرافيا الإلكترونية Electron ptychography، تكبير الذرات حتى 100 مليون مرة. لكن المَجاهر الموجودة في مختبر المدرسة الثانوية عادة ما تكون مجاهر ضوئية مركبة ذات قدرة تكبير قصوى تصل إلى 1,000مرة. لتحقيق تكبير عالٍ، تَستخدم المجاهر الضوئية سلسلة من العدسات التي تغير مسار الضوء لإنتاج صورة مكبرة للعينة. هذه العدسات ثنائية التحدب Biconvex، أي أن كلا الجانبين منحنيان. عندما ينتقل الضوء من العينة نحو العين، فإنه ينكسر بفعل شكل العدسة. العدسات الأقرب إلى العينة، أي العدسات الشيئية، تعكس الصورة وتُكبرها، والتي تكبر مرة أخرى بواسطة عدسة في العدسة العينية. ينتج الجمع بين هذه العدسات قوة التكبير الكلية للمجهر. فمثلًا، إذا أعطت عدسة الهدف تكبيرًا قدره 10مرات وكانت العدسة العينية توفر المقدار نفسه، فإن التكبير الإجمالي سيكون 100مرة.
خلف العدسة
كيف تجعل المَجاهر الأشياءَ تبدو أكبر مما هي عليه في الواقع
1 الضوء Light
يسقط الضوء من الشمس أو من مصباح كهربائي على مرآة مائلة، والتي توجهه عبر ثقب صغير في حامل العينة المعروف باسم «المنصة».
2 العدسة الأولى First Lens
قبل الوصول إلى المنصة، يمر الضوء عبر عدسة مكثفة لتركيز الشعاع عبر العينة.
3 المنصة Stage
يمكن استخدام عجلة الإبهام لضبط ارتفاع المنصة، مما يُتيح لك تحريك العينة لتكون أقرب أو أبعد من العدسة.
4 العينة Specimen
تُوضع العينة على شريحة زجاجية تثبَّت على المنصة.
5 إضاءة العينة Illuminating The Specimen
يمر الضوء عبر الثقب الموجود في المنصة ثم الشرائح الزجاجية قبل أن يصل إلى عدسة تسمى العدسة الشيئية.
6 الانعكاس Inversion
تُعرَض العينة عبر العدسات وتُقلب قبل أن تصل إلى العدسة العينية.
7 العدسة العينية Eye Lens
تكبِّر العدسة العينية الصورة المقلوبة مثل عدسة مكبِّرة.
8 التكبير Magnification
يمكن أن يؤدي القطر الأصغر وسمك العدسة إلى زيادة تكبير العينة.
هل معاطفُ المختبر تجعلك أكثر ذكاءً؟
كان المعطف المخبري الأبيض موجودًا منذ القرن التاسع عشر، لكنه ليس مجرد وسيلة للحماية، بل قد يساعد أيضًا الطلاب على التركيز. في العام 2017، أجرى باحثون من جامعة نورث وسترن في ولاية إلينوي دراسة معرفية شملت 58 طالبًا جامعيًا. طُلب إلى الطلاب إجراءُ اختبار ستروب Stroop test، الذي يتضمن نطق لون الكلمة المكتوبة بلون مختلف؛ فمثلًا، تُكتب كلمة «أحمر» بلون أزرق، ويُطلب إلى الطالب قول اللون وليس الكلمة. كان نصف الطلاب يرتدون معاطف مخبرية بيضاء في أثناء الاختبار، وتبيّن أنهم ارتكبوا أخطاء أقل بنسبة تقارب %50 مقارنة بزملائهم الذين لم يرتدوا المعاطف. اقترح الباحثون أن ارتداء المعطف قد يُعزز التركيز العلمي، في ظاهرة أطلقوا عليها اسم «الإدراك الملبوس» Enclothed cognition.
كؤوس غير قابلة للكسر
على عكس الأواني الزجاجية التقليدية، عادة ما تُصنع الكؤوس المستخدمة في الفصول الدراسية من مادة قوية تسمى زجاج البورسليكات Borosilicate glass. يدمج أكسيد البورون والسيليكا والألومينا وأكسيد الصوديوم لصنع هذا الزجاج وإعطائه خصائص فريدة. والأهم من ذلك كله، أنها مقاومة للكسر عند تعرضها للحرارة. يميل الزجاج المستخدَم يوميًا – وهو النوع المستخدم في صنع زجاجات الحليب أو الصودا – إلى التمدُّد والتشقق عند تسخينه إلى درجة حرارة تتراوح بين 150 و200°س. أما البورسليكات فتتمتع بما يسمى بمُعامل التمدد الحراري Coefficient of thermal expansion المنخفض، مما يعني أن بنيتها الجزيئية قوية جدًا بحيث لا تستطيع الحرارة الشديدة فصل جزيئاتها بسهولة. يجب تعريض الزجاج لحرارة تصل إلى 525°س قبل أن يبدأ في التلين، وتصل إلى 860°س قبل أن ينصهر ويتحول إلى سائل. وبالمقارنة، تتدفق الحُمم البركانية عند درجة حرارة تبلغ نحو 700°س.
1 قضيب مغناطيسي Bar Magnet
تُزود مغناطيسات قضيب التحريك بطبقة من التفلون Teflon الخامل كيميائيًا، وذلك لمنع تفاعله مع محتويات الكأس.
2 الجذب والتنافر Attract And Repel
عندما تحاول المجالات المغناطيسية لمغناطيسين أن تتماشى، فإنهما يتجاذبان أو يتنافران كلاهما مع الآخر، مما يُولّد قوة تُعرَف
باسم «العزم المغناطيسي» Magnetic torque.
3 قوة أكبر، حركة أكثر More Force, More Movement
كلما زاد العزم المغناطيسي، زادت سرعة دوران مغناطيس القضيب حتى تتوافق المجالات المغناطيسية.
4 التقليب المغناطيسي Magnetic Stirring
يتوافق القضيب فعليًا مع المجال المغناطيسي الذي يولده المغناطيس الداخلي، مما يجعله يدور فتنشأ دوامة في المحلول بداخل الكأس.
التحرك باستخدام المغناطيسات
لقد ولّت أيام التقليب اليدوي ساعاتٍ طِوالًا، وذلك بفضل اختراع جهاز التقليب المغناطيسي. وكما يوحي الاسم، يستخدم هذا الجهاز مجالين مغناطيسيين متعاكسين لمغناطيسين اثنين: أحدهما موضوع داخل الكأس، والآخر مُدمج داخل جهاز التقليب نفسه. عند تمرير تيار كهربائي عبر المغناطيس الكهربائي الداخلي، يتولد مجال مغناطيسي دوّار. يتفاعل المغناطيس الموجود بداخل الكأس – والذي يكون عادة على شكل قضيب – مع هذا المجال الدوّار، مما يجعله يدور بسرعة. وكلما زادت الطاقة المارة عبر المغناطيس الكهربائي، زادت قوة المجال المغناطيسي، ومن ثم زادت سرعة دوران المغناطيس.
تستخدم بعض المحركات مغناطيسات داخلية تعمل بمحرك بدلًا من المغناطيسات الكهربائية لتحقيق الهدف نفسه. عادة ما تستطيع المحركات المغناطيسية بلوغ سرعات تصل إلى 1,500 دورة في الدقيقة، كما ظل تصميمها من دون تغيير نسبيًا منذ اختراعها في العام 1917. وقد أضيف إليه أحد التحديثات الكبرى في العام 1939، مع إضافة السخان اللوحي Hotplate. يعني السخان اللوحي أن العلماء والطلاب على حدٍّ سواء يمكنهم تحريك وتسخين خلطاتهم الكيميائية في الوقت نفسه من دون الحاجة إلى الوجود بالقرب منها.
العثور على الدورق المناسب
ما الأدوات الزجاجية التي تناسب تجربتك بنحو أفضل؟
1 دورق حجمي Volumetric Flask إذا أردت معرفة حجم المحلول الذي تستخدمه، فلهذه الدوارق رقبة ضيقة لقياس الحجم بدقة.
2 دورق شلينك Schlenk Flask في التجارب الحساسة للهواء، تسمح هذه الدوارق بضخ الغازات إليها من دون تعريض المحتويات للهواء.
3 أنبوب ثيلي Thiele Tube يمكن استخدامه لاكتشاف نقطة انصهار مادة صلبة أو سائلة. يدور الزيت المسخن حول ذراع الدورق فيسخِّن العينة.
4 مكثف غراهام Graham Condenser لكونه محاطًا بغلاف من الماء البارد، يمكن ضخ غاز داخل الملف الداخلي لهذا الدورق ليتكثف ويعود إلى حالته السائلة.
5 سحاحة Burette تُستخدم السحاحة لتوزيع حجم المحلول بدقة في كأس موضوعة أسفل الصنبور 6 قمع الفصل Separating Funnel يطفو السائل ذو الكثافة الأعلى إلى أعلى، بينما يغوص المحلول ذو الكثافة الأدنى إلى أسفل، حيث يمكن إزالته من الدورق عن طريق صنبور.
6 قمع الفصل Separating Funnel يطفو السائل ذو الكثافة الأعلى إلى أعلى، بينما يغوص المحلول ذو الكثافة الأدنى إلى أسفل، حيث يمكن إزالته من الدورق عن طريق صنبور.
7 دورق مخروطي Conical Flask صُمم الشكل المميز لهذا الدورق بحيث يمكن تحريك المحلول الموجود بداخله بقوة من دون أي انسكاب عبر الفتحة. 8 دورق فلورنسا Florence Flask صُمم الجزء السفلي الكبير المنتفخ لهذا الدورق لتوزيع الحرارة بالتساوي في المحلول.
8 دورق فلورنسا Florence Flask
صُمم الجزء السفلي الكبير المنتفخ لهذا الدورق لتوزيع الحرارة بالتساوي في المحلول.
تنظيف الفصول الدراسية
أين تذهب كل الأكواب المتسخة عندما تنتهي تجارب اليوم؟ إنها تُحمَّل في صندوق معدني عملاق يسمى الموصدة. وباستخدام البخار تحت ضغط عالٍ، تستطيع هذه الآلات الذاتية الإغلاق القضاء على مسببات الأمراض والميكروبات لتعقيم المعدات. وبمجرد دخول المعدات إلى الداخل، تُعرَّض للبخار عند درجات حرارة تصل إلى نحو 135°س. ويُضَخ البخار من غلاية مجاورة إلى السترة البخارية، التي تحيط بالغرفة المركزية التي تحتوي على المعدات. على مدار قرابة ساعة، يدور البخار باستمرار من الغلاية حول الغرفة لقتل أي مسببات للأمراض. تدمّر معظم أنواع البكتيريا عند تعرضها لدرجات حرارة تصل إلى 74°س أو أعلى.
التعقيم بالبخار
يُطرد الهواء البارد عن طريق البخار الساخن لتطهير الأدوات العلمية
1 المعدات Equipment
يُعقَّم كثير من المواد المختلفة بالبخار، بما في ذلك الأواني الزجاجية والمعادن والأدوات والمنسوجات.
2 الضغط Pressure
يُنفَّس البخار عبر الموصدة Autoclave عند ضغط يبلغ نحو 172.369 باسكال.
3 تدابير السلامة Safety Measures
تُركَّب في الموصدة مقاييس للضغط وصمامات للأمان لإخراج البخار في حالة الارتفاع المفرط للضغط بالداخل.
4 البخار الداخل Incoming Steam
يُنفَّس البخار عبر السترة البخارية إلى الغرفة الداخلية فوق المعدات المغلقة.
5 طرد الهواء Driving Out Air
يدفع التدفق المستمر للبخار الهواء إلى الخارج عبر فتحة تهوية، ثم إلى خط تصريف النفايات.
6 شاشة الرواسب Sediment Screen
لجمع أي حطام من المعدات، تُركَّب شبكة معدنية فوق مخرج أنبوب النفايات.
