مواد پیرامون ما — علوم تیزهوشان هفتم (استعداد درخشان)

مواد پیرامون ما (علوم تیزهوشان هفتم)

هر چیزی که استفاده می‌کنی، از دفتر و مداد تا گوشی و ساختمان، از یک مادهٔ خام ساخته شده است. این فصل می‌پرسد مواد را چگونه دسته‌بندی کنیم، چطور تغییر فیزیکی را از شیمیایی جدا کنیم و با ساختن کامپوزیت و آلیاژ چگونه خواص مواد را بهتر کنیم.

شناخت ساختار مواد با اشعهٔ ایکس

اتم و مولکول را با هیچ وسیله‌ای به‌تنهایی نمی‌توان دید، پس دانشمندان از شواهد غیرمستقیم کمک می‌گیرند. اشعهٔ ایکس همان پرتوی است که در رادیولوژی از استخوان و دندان عکس می‌گیرد. اگر پارچهٔ نازکی را جلوی لامپ قوی بگیری، نخ‌های تار و پود و نازک و ضخیم بودن جاها را می‌بینی که بدون لامپ نمی‌دیدی؛ اشعهٔ ایکس هم هنگام عبور از ماده الگویی روی صفحهٔ آشکارساز می‌سازد و دربارهٔ چگونگی قرار گرفتن ذره‌ها اطلاعات می‌دهد. تصویر اشعهٔ ایکس DNA نظمی تکرارشونده را نشان می‌دهد. نتیجه: آنچه مستقیم نمی‌بینیم، می‌توانیم با اثرش بشناسیم.

ماده خام و دسته‌بندی آن

مادهٔ خام نقطهٔ آغاز ساخت مواد دیگر است: سنگ آهن برای فولاد، نفت خام برای بنزین و پلاستیک، چوب برای کاغذ و شن و ماسه برای شیشه. هر ماده را با چند معیار می‌توان دسته‌بندی کرد:

• منشأ: طبیعی (آب، چوب) یا مصنوعی (پلاستیک، شیشه).
• نحوهٔ استفاده: مستقیم (آب چشمه) یا پس از فرآوری (نفت خام).
• کاربرد: انرژی (نفت، زغال‌سنگ) یا ساخت مواد دیگر.
• ذره‌های سازنده: عنصر، ترکیب یا مخلوط.
• جبران‌پذیری: مواد جبران‌پذیر مثل چوب و محصولات کشاورزی در مدت کوتاه دوباره ساخته می‌شوند، اما جبران‌ناپذیر مثل نفت، گاز، زغال‌سنگ و سنگ معدن میلیون‌ها سال زمان می‌خواهند؛ پس باید با دقت مصرف و بازیافت شوند.

در مقالهٔ فرضی دربارهٔ عنصر تازه کشف‌شده باید ساختار اتمی، دسته‌های طبقه‌بندی، ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی، ویژگی منحصر به فرد و کاربردها را بنویسی و ویژگی‌ها باید با هم سازگار باشند.

تغییر فیزیکی و شیمیایی

در تغییر فیزیکی اندازه، شکل یا حالت ماده عوض می‌شود اما ماهیت آن ثابت می‌ماند (ذوب یخ، خرد کردن شکر، حل شدن نمک). در تغییر شیمیایی ماده‌ای جدید با ویژگی‌های متفاوت ساخته می‌شود (سوختن چوب، زنگ زدن آهن، پختن تخم‌مرغ). نشانه‌های شیمیایی: تغییر رنگ غیرمنتظره و برگشت‌ناپذیر، تغییر دما یا نور، آزاد شدن گاز و تشکیل رسوب. ولی نشانه‌ها فقط راهنما هستند؛ جوشیدن آب حباب دارد و تغییر فیزیکی است. قطعی‌ترین معیار ساخته شدن ماده‌ای جدید است.

در آزمایش حرارت دادن پنج ماده: مس (II) کربنات سبز به سیاه تبدیل می‌شود و گاز آزاد می‌کند، یعنی تجزیه می‌شود و تغییر شیمیایی است: $\text{CuCO}_3 \rightarrow \text{CuO}+\text{CO}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی. روی اکسید با گرما زرد و با سرد شدن دوباره سفید می‌شود؛ ماده همان است، پس فیزیکی و برگشت‌پذیر است. موم فقط ذوب و دوباره جامد می‌شود (فیزیکی). مس (II) سولفات آبی آب خود را از دست می‌دهد و پودر سفید می‌شود؛ ماده جدید است (شیمیایی) و با افزودن آب دوباره آبی می‌شود. شن و ماسه تغییری نمی‌کند. مثال‌ها: خشک شدن لباس، خرد کردن نان، حل شدن شکر و جوشیدن آب فیزیکی؛ ترش شدن شیر، سیاه شدن سیب بریده و سوختن شمع شیمیایی‌اند.

کامپوزیت

در گذشته برای ساخت خانه از گل استفاده می‌کردند؛ گل پس از خشک شدن ترک می‌خورد، پس کاه می‌افزودند که با خاصیت ارتجاعی، حفره‌ها را پر و از ترک جلوگیری کند. این کاهگل است. کامپوزیت (چندسازه) ترکیبی فیزیکی از دو ماده با خواص متفاوت است: زمینه (مادهٔ اول با نقص در بعضی خواص) و تقویت‌کننده (مادهٔ دوم که خواص را بهتر می‌کند). کاهگل: زمینه گل و تقویت‌کننده کاه؛ بتن مسلح: بتن و میلگرد فولادی؛ فایبرگلاس: پلاستیک و الیاف شیشه.

در آزمایش ژله، دو ژلهٔ هم‌شرایط می‌سازیم؛ در یکی خلال دندان فرو می‌بریم. چون خلال تقویت‌کننده است، ژلهٔ دارای خلال مقاومت بیشتری دارد. در طراحی آزمایش فقط وجود خلال باید فرق کند و بقیه (مقدار ژله، قالب، دما، مدت یخ زدن) برابر باشند و آزمایش تکرار شود.

فایبرگلاس از الیاف شیشه و پلاستیک ساخته می‌شود؛ الیاف استحکام می‌دهند و پلاستیک الیاف را نگه می‌دارد و انعطاف و مقاومت در برابر ضربه می‌آورد. در جدول رکورد پرش با نیزه، بیشترین اختلاف رکورد در دههٔ ۱۹۷۰ بوده است (۰٫۵ متر)، چون نیزه‌های فایبرگلاس رایج شدند. رکورد از $4.2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی تا $6.1$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی متر بالا رفته و $\frac{1.9}{4.2}\times100\approx45$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی درصد افزایش داشته است. نیزهٔ فایبرگلاس خم می‌شود، انرژی ذخیره می‌کند و مثل فنر به ورزشکار پس می‌دهد؛ آلومینیوم نرم‌تر است و خمیدگی دائمی پیدا می‌کند. آلومینیوم از بامبو یکنواخت‌تر و در برابر رطوبت مقاوم‌تر است، چون بامبو گره و ضعف طبیعی دارد. الیاف کربن بسیار محکم، سبک و سخت است و در دههٔ ۱۹۸۰ جای الیاف شیشه را گرفت.

آلیاژ

بخش بزرگی از هواپیما از آلومینیوم ساخته می‌شود، چون چگالی کمی دارد. اما آلومینیوم خالص نرم است و فشار برخاستن و فرود را تحمل نمی‌کند. راه حل ساخت آلیاژ است: مخلوطی از یک فلز با یک یا چند فلز یا نافلز دیگر. برای ساخت آن فلزها را ذوب و مخلوط می‌کنند؛ فلزها با هم واکنش نمی‌دهند و ترکیب جدیدی نمی‌سازند، فقط مخلوط تشکیل می‌شود.

چرا آلیاژ سخت‌تر است؟ در فلز خالص اتم‌ها هم‌اندازه‌اند و لایه‌ها به‌راحتی روی هم می‌لغزند؛ ضربهٔ چکش با همین لغزش شکل را عوض می‌کند. اتم‌های با اندازهٔ متفاوت نظم را به هم می‌زنند و جلوی لغزش لایه‌ها را می‌گیرند، پس آلیاژ سخت‌تر و محکم‌تر ولی کم‌تر شکل‌پذیر است. در آزمایش «حوضچهٔ حباب»، حباب بزرگ حباب‌های اطراف را هل می‌دهد و ردیف‌ها دیگر صاف نیستند، پس لغزش دشوار می‌شود.

عیار طلا می‌گوید در هر ۲۴ قسمت آلیاژ چند قسمت طلای خالص است: کسر طلا $=\frac{\text{carat}}{24}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی. طلای ۱۸ عیار $\frac{18}{24}\times100=75$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی درصد طلاست و در انگشتری ۱۸ عیار $12\,\text{g}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی برابر $9\,\text{g}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی طلای خالص است. طلای ۹ عیار ۳۷٫۵ درصد و طلای ۲۴ عیار ۱۰۰ درصد است ولی برای جواهر مناسب نیست چون نرم است. گردنبند ۲۲ عیار $30\,\text{g}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی حدود $27.5\,\text{g}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی طلا دارد.

• برنج: مس + روی؛ صدای خوب و شکل‌دهی آسان (وسایل موسیقی).
• برنز: مس + قلع؛ محکم‌تر از مس و با نقطهٔ ذوب پایین‌تر و قالب‌ریزی راحت‌تر (عهد برنز).
• لحیم: سرب + قلع؛ نقطهٔ ذوب پایین، پس قطعات متصل‌شونده آسیب نمی‌بینند.
• آمالگام: جیوه + فلزهای دیگر؛ جیوه بدون ذوب فلزها را در خود حل می‌کند و در پر کردن دندان به کار می‌رفت (جیوه سمی است).
• فولاد: آهن + کربن (نافلز)؛ فولاد زنگ‌نزن: آهن + کروم + نیکل؛ دورآلومینیوم: آلومینیوم + مس + منیزیم (هواپیما).

مثال محاسبه: در $500\,\text{g}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی برنج ۷۰٪ مس، مس برابر $500\times\frac{70}{100}=350\,\text{g}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و روی $150\,\text{g}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی است. برای $2\,\text{kg}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی برنز ۹۰٪ مس به $200\,\text{g}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی قلع نیاز داریم. جیوه تنها فلز مایع در دمای اتاق است و همه فلزها رسانای الکتریکی و گرمایی و براق‌اند.

رکورد پرش، آزمایش آلیاژ و خودآزمایی

اختلاف رکورد هر دهه نسبت به دههٔ قبل چنین است: ۱۹۳۰ برابر $0.1$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، ۱۹۴۰ برابر $0.2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، ۱۹۵۰ برابر $0.1$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، ۱۹۶۰ برابر $0.2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، ۱۹۷۰ برابر $0.5$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و ۱۹۸۰ و ۱۹۹۰ هرکدام $0.4$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی متر. نمودار صعودی است و تا ۱۹۶۰ شیب ملایمی دارد، سپس تندتر می‌شود. رشد از $5.7$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی به $6.1$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی متر حدود $\frac{0.4}{5.7}\times100\approx7$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی درصد است.

برای مقایسهٔ آلومینیوم، مس و آلیاژ آن دو، فلزها را در کوره ذوب، به نسبت دلخواه مخلوط و در قالب سرد می‌کنند. پیش‌بینی می‌کنیم آلیاژ از هر دو سخت‌تر باشد. آزمایش‌ها: با نیروی برابر روی هر سه نمونه خراش بزن و عمق فرورفتگی را بسنج (کمترین فرورفتگی یعنی سخت‌تر)؛ میله‌های هم‌طول را با شعلهٔ یکسان گرم کن و افزایش طول را بسنج؛ و میله‌ها را چند روز در آب‌نمک رقیق بگذار و وضعیت سطح را ثبت کن. در همهٔ آنها فقط جنس فلز باید تغییر کند.

نکته‌های محاسبه: در آلیاژ $200\,\text{g}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی با ۸۵٪ مس، مس برابر $200\times\frac{85}{100}=170\,\text{g}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی است. همیشه بررسی کن که جمع اجزا با جرم کل برابر شود ($350+150=500\,\text{g}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی). لحیم باید نقطهٔ ذوب پایین داشته باشد تا قطعهٔ فلزی با ذوب بالاتر آسیب نبیند. فولاد از آهن خالص سخت‌تر است، چون اتم‌های کوچک کربن بین اتم‌های آهن قرار می‌گیرند و لغزش لایه‌ها را سخت می‌کنند.

فهرست فلزهای پرمصرف: آهن (ساختمان و ابزار؛ سخت و مغناطیسی)، آلومینیوم (بدنهٔ هواپیما، قوطی و فویل؛ سبک و مقاوم در برابر زنگ زدن)، مس (سیم برق و لوله؛ رسانای عالی و شکل‌پذیر)، طلا (جواهر؛ نرم، براق و خوردگی‌ناپذیر) و روی (آبکاری و باتری؛ مقاوم در برابر خوردگی). جیوه در میان فلزها استثناست، چون در دمای اتاق مایع است. نشانهٔ آلیاژ بودن در فهرست کاربردها این است که دو یا چند جزء هم‌زمان نام برده شوند: دورآلومینیوم در هواپیما، برنز در مجسمه و مدال و فولاد زنگ‌نزن در ظرف آشپزخانه.

دانهٔ برف

برف از آب به حالت جامد ساخته شده و ذره‌های سازنده‌اش مولکول (مولکول‌های آب) است. مولکول‌ها هنگام یخ زدن در الگوی شش‌ضلعی منظم قرار می‌گیرند، پس بلور شش شاخه دارد؛ ولی هر دانه در مسیر سقوط دما و رطوبت متفاوتی می‌بیند و شاخه‌هایش متفاوت رشد می‌کند، پس شکل دقیق دانه‌ها یکسان نیست.

اشتباه‌های رایج