ذوبان السكر في الماء: تغير كيميائي أم فيزيائي؟ Dissolving Sugar in Water

 

هل ذوبان السكر في الماء يعتبر تغير كيميائي أم فيزيائي؟

يعد هذا السؤال صعب الفهم أكثر من غيره ، ولكن إذا ألقيت نظرة فاحصه إلى تعريف التغيرات الكيميائية والفيزيائية ، فسترى كيف تعمل. وهنا الجواب وتفسير لهذه العملية.

 

 

ربط  عملية الذوبان بالتغييرات الكيميائية والفيزيائية

يدل ذوبان السكر في الماء على  التغيير الفيزيائي.

إليك السبب: ينتج التغير الكيميائي نواتج كيميائية جديدة. ولكي تكون عملية تحلل السكر في الماء هي مثال على تغير كيميائي ، يجب أن ينتج شيء جديد. يجب أن يحدث تفاعل كيميائي وتنتج مادة جديدة. ومع ذلك ، فإن عملية خلط السكر والماء تتكون ببساطة، السكر في الماء! ان وجود السكر في الماء لا يعني تغير تركيب السكر أو الماء في الإصل أن المواد قد تم تغيير شكلها ، ولكن ليس الهوية الأصلية للمادة. ويعتبر هذا تغيير مادي.

 

 

طرق تحديد التغير

إحدى الطرق لتحديد بعض التغييرات الفيزيائية (وليس كلها) هي السؤال عما إذا كانت المواد التي تم البدء بها أو المواد المتفاعلة لها نفس الهوية الكيميائية للمواد أو النواتج النهائية. فإذا قمت بتبخير الماء من محلول السكر ، فسيبقى السكر في القاع.

سواء كان التغير هو كيميائي أو تغيير فيزيائي في أي وقت تقوم فيه بأذابة مركب تساهمي مثل السكر ، فأنت تواجه تغيير فيزيائي. حيث يحصل تباعد للجزيئات في المذيب ، لكنها لا تتغير.

ومع ذلك ، هناك خلاف حول ما إذا كانت إذابة مركب أيوني (مثل الملح) هو تغير كيميائي أو فيزيائي بسبب حدوث تفاعل كيميائي ، حيث يتكسر الملح في أيونات مكوناته (الصوديوم والكلوريد) في الماء. تعرض الأيونات خصائص مختلفة من المركب الأصلي. يشير ذلك إلى تغير كيميائي. من ناحية أخرى ، إذا قمت بتبخير الماء ، فسيبقى الملح في قاع الأناء. ويبدو ذلك متناسقًا مع التغيير الفيزيائي. هناك حجج صالحة لكل من الإجابات ، لذا إذا كنت قد سئلت عنها في اختبار ما في مدرستك ، فكن مستعدًا لشرح.

 

 

خلط السكر مع الشاي

قد لا تتمكن من رؤية السكر الذي خلطته مع الشاي أو القهوة أو الشوكولاتة الساخنة ، لكنه لا يزال موجودًا. بدلا من أن يختفي تماما ، فإنه يذوب. عندما يذوب المذاب في مادة أخرى ، يتم إنشاء محلول. لذلك عند تحضير مشروبك الساخن ، يكون السكر هو المذاب ، والماء هو المادة المذيبة والمنتج النهائي هو محلول. يتضمن العمل على كيفية إذابة السكر بشكل أسرع بعض التجارب الشيقة التي يمكنك إجراؤها بسهولة في المنزل باستخدام مكعبات السكر وأكواب الماء.

 

1.       تكسر السكر

تؤثر الطاقة ، وهي القدرة على القيام بالعمل أو إنتاج الحرارة ، على معدل ذوبان المادة المذابة. يؤدي تكسير أو سحق أو طحن مكعب سكر قبل إضافته إلى الماء إلى زيادة مساحة سطح السكر. كلما زادت مساحة سطح المذاب ، زادت سرعة ذوبانه لأن المزيد من جزيئات السكر يمكن أن تتفاعل مع الماء. هذا يعني أنه كلما كانت جزيئات السكر أكثر نعومة ، زادت سرعة ذوبانها. السكر الموجود في منتصف مكعب السكر محمي من الماء بواسطة السكر الموجود في الطبقات الخارجية للمكعب ؛ يجب أن يمر الماء عبر تلك الطبقات الخارجية أولاً. ولكن إذا قمت بسحق المكعب وتحويله إلى مسحوق ، فإن كل السكر يتعرض للماء مرة واحدة.

 

2.      تحريك الخليط

يساعد التحريك أو التقليب على تشتيت جزيئات السكر في جميع اجزاء الماء ، وهي طريقة أخرى لزيادة مساحة سطح السكر وتسريع الوقت الذي يستغرقه الذوبان. تعمل حركة التقليب او الخلط أيضًا على زيادة الطاقة الحركية ، مما يزيد من درجة حرارة المحلول - وهذه هي الطريقة التالية لجعل السكر يذوب بسرعة أكبر.

 

3.      تسخين الخليط

إذا أضفت مكعب سكر إلى كوب ماء بدرجة حرارة الغرفة ومكعب سكر آخر إلى كوب ماء ساخن ، ستجد أن السكر يذوب بشكل أسرع في كوب الماء الساخن. تتحرك جزيئات السكر وتتفاعل أكثر في درجات حرارة أعلى لأن الحرارة الإضافية تضيف المزيد من الطاقة إلى العملية.

 

 

لكل من الطرق المذكورة أعلاه ، جرب وضع يدك حول كوب ماء بدرجة حرارة الغرفة بينما يذوب السكر. قد تشعر بانخفاض طفيف في درجة حرارة الكوب لأن إذابة السكر تتطلب طاقة من البيئة المحيطة به. يُعرف هذا باسم التغيير الماص للحرارة ، أو التغيير الذي يتطلب إضافة الطاقة.

لاحظ أنه إذا أضفت الكثير من مكعبات السكر إلى كوب الماء ، فقد لا تذوب تمامًا لأن الماء قد يتشبع بالمذاب. في هذه الحالة ، يذوب بعض السكر ويتجمع الباقي في حالة صلبة في قاع الكوب. إذا أضفت الكثير من السكر عن طريق الخطأ ، انقل المحتويات إلى كوب أو وعاء أكبر ، وأضف المزيد من الماء ، وحركه لمساعدة السكر على الذوبان بشكل أسرع.

 

 

 

كيفية إزالة السكر من الماء

عندما يخلط السكر بالماء فإنه يخلق محلولًا متجانسًا ، مما يعني أنه لا يمكنك رؤية الجزيئات الفردية ، على عكس خلط الرمل بالماء. يعتبر ماء السكر محلولًا لأنه لا يحدث تفاعل كيميائي ، ولكن لفصله ، يلزم إنشاء تفاعل كيميائي عن طريق تقطير السائل. أثناء عملية التقطير ، يتحول الماء إلى بخار. وفقًا لـ BBS :  "يبدأ السكر الصلب في النهاية في الظهور ... عندما يغلي قدر كافٍ من الماء بحيث لا يمكنه استيعاب المزيد من السكر."

 

1.       امزج 1 ملعقة صغيرة من السكر مع كوب من الماء في مقلاة، تعمل هذه العملية بجميع مقادير ماء السكر.

2.      ضع المقلاة على نار متوسطة. لأن درجة الحرارة العالية من الممكن ان تحرق السكر إذا سخنت المحلول بسرعة كبيرة.

3.      اسلقي الخليط سيؤدي ذلك إلى تبخر الماء وتكوين بلورات السكر على جوانب القدر.

4.     أطفئ النار واكشط البلورات من المقلاة. إذا كنت تجري تجربة ، فقد ترغب في مقارنة كمية البلورات بكمية السكر المستخدمة في البداية.

 

الأدوات المستخدمة

·         مصدر حراري (طباخ)

·         1 ملعقة صغيرة من السكر

·         1 كوب ماء

·         ملعقة

 

تحذيرات

·         تجنب البخار لمنع الحروق.

 

 

 

 

المصادر

1.       Pharmacopeia of the United States of America, 32nd revision, and the National Formulary, 27th edition," 2009, pp.1 to 12.

2.      Skyner, R.; McDonagh, J. L.; Groom, C. R.; van Mourik, T.; Mitchell, J. B. O. (2015). "A Review of Methods for the Calculation of Solution Free Energies and the Modelling of Systems in Solution" (PDF). Phys Chem Chem Phys. 17 (9): 6174–91. Bibcode:2015PCCP...17.6174S. doi:10.1039/C5CP00288E. PMID 25660403.

3.      Abramov, Y. A. (2015). "Major Source of Error in QSPR Prediction of Intrinsic Thermodynamic Solubility of Drugs: Solid vs Nonsolid State Contributions?". Molecular Pharmaceutics. 12 (6): 2126–2141. doi:10.1021/acs.molpharmaceut.5b00119. PMID 25880026.

4.     McDonagh, J. L. (2015). Computing the Aqueous solubility of Organic Drug-Like Molecules and Understanding Hydrophobicity. University of St Andrews. hdl:10023/6534.

5.      Palmer, D. S.; McDonagh, J. L.; Mitchell, J. B. O.; van Mourik, T.; Fedorov, M. V. (2012). "First-Principles Calculation of the Intrinsic Aqueous Solubility of Crystalline Druglike Molecules". Journal of Chemical Theory and Computation. 8 (9): 3322–3337. doi:10.1021/ct300345m. PMID 26605739.

6.     McDonagh, J. L.; Nath, N.; De Ferrari, L.; van Mourik, T.; Mitchell, J. B. O. (2014). "Uniting Cheminformatics and Chemical Theory To Predict the Intrinsic Aqueous Solubility of Crystalline Druglike Molecules". Journal of Chemical Information and Modeling. 54 (3): 844–856. doi:10.1021/ci4005805. PMC 3965570. PMID 24564264.

7.      Lusci, A.; Pollastri, G.; Baldi, P. (2013). "Deep Architectures and Deep Learning in Chemoinformatics: The Prediction of Aqueous Solubility for Drug-Like Molecules". Journal of Chemical Information and Modeling. 53 (7): 1563–1575. doi:10.1021/ci400187y. PMC 3739985. PMID 23795551.