آزمایشی برای اندازه‌گیری درصد حجمی عنصر حیاتی هوا

وجود جو زمین، یعنی آن لایه‌ای از هوا که کره‌ی خاکی را احاطه کرده است، برای بقای ما حیاتی است. اگر هوا نباشد انسان در مدت چند دقیقه جان می‌دهد. هوایی که تنفس می‌کنیم مخلوطی است از چند گاز: مقدار زیادی نیتروژن، مقداری اکسیژن، و مقدار بسیار کمی آرگون. علاوه بر این‌ها، مقادیر بسیار اندکی بخار آب و دی اکسید کربن نیز در هوا وجود دارد که در بحث کنونی از آن‌ها چشم می‌پوشیم.
تنها اکسیژن هواست که به مصرف بدن ما می‌رسد. درواقع اکسیژن تنها ماده‌ی شیمیایی فعال در این مخلوط گازی است. برای یافتن درصد گوناگون اجزای هوا، کافی است به یک کتاب مرجع یا کتاب شیمی مراجعه کنید. اما در این نوشته می‌خواهیم ببینیم که یک پژوهشگر آماتور چگونه می‌تواند از راه آزمایش، درصد گاز اکسیژن موجود در هوا را اندازه بگیرد.
طرح کلی کار به این قرار است: از آن جا که اکسیژن ماده‌ی شیمیایی فعالی است در حالی که دیگر اجزای تشکیل دهنده‌ی هوا فعال نیستند، می‌توان از این تفاوت به شیوه‌ای سود جست و درصد اکسیژن را تعیین کرد. برای مثال می‌توان ماده‌ای شیمیایی را که با اکسیژن واکنش می‌کند (ولی نه با نیتروژن و دیگر اجزای هوا) همراه با حجم معینی از هوا در یک محفظه وارد کرد. در این صورت، ماده‌ی شیمیایی مورد استفاده به طور انتخابی و به طور کامل با اکسیژن هوا واکنش خواهد کرد.
اگر محصول واکنش، جسمی جامد باشد، در مقایسه با حجم اکسیژن مصرف شده و حجم هوای اولیه حجمی بسیار ناچیز خواهد داشت. به این ترتیب وقتی که واکنش شیمیایی کامل می‌شود، حجم هوایی که اکسیژنش کاسته شده است بسیار کم‌تر از حجم هوای اولیه خواهد بود. این اختلاف حجم، نشان دهنده‌ی حجم اکسیژنی است که در هوای اولیه موجود بوده است. آن‌گاه با استفاده از فرمولِ «درصد اکسیژن هوا = 100 × حجم هوا/حجم اکسیژن» می‌توان درصدِ حجمی اکسیژن هوا را تعیین کرد.
اکنون طرح کلی برای رسیدن به هدف را می‌دانید، اما با وسایل آزمایشی ساده‌ای که یک پژوهشگر غیرحرفه‌ای در اختیار دارد چگونه می‌توان این طرح را اجرا کرد؟ چون ممکن است هر ماده‌ی شیمیایی را نتوان به آسانی و ارزانی تهیه کرد باید بیش‌تر اندیشید و آزمایش‌هایی را طراحی کرد که با مواد شیمیایی سهل‌الوصول و ارزان قابل اجرا باشند.
در مورد مواد شیمیایی مورد نیاز، باید بیاندیشیم که کدام ماده‌ی شیمیایی قابل دسترسی، با اکسیژن واکنش می‌کند و جسمی جامد به وجود می‌آورد. کافی است به نزدیک‌ترین جسم زنگ زده در اطرافتان نگاهی بیاندازید. اکسید نارنجی-قهوه‌ای روی یک میخ زنگ زده گواه آن است که آهن با اکسیژن وارد واکنش می‌شود. اما این واکنش به قدری آهسته انجام می‌شود که برای منظور ما، یعنی تعیین آزمایشیِ درصد اکسیژن هوا، مناسب نیست.
ولی شیمی‌دان‌ها می‌دانند که یکی از روش‌های تسریع یک واکنش شیمیایی، افزایش مساحت سطح ماده‌ی واکنشگر است. برای مثال، می‌دانیم که دانه‌ی گندم را اگر آتش بزنیم به آهستگی می‌سوزد. اما اگر دانه‌ی گندم آرد شود، مساحت سطحی که در معرض هوا و آتش قرار می‌گیرد بسیار زیادتر می‌شود اگرچه جرم تفاوتی نمی‌کند. همین مخلوط غبار گندم و هوا در بالابرهای گندم است که گاهی در اثر وجود یک جرقه مشتعل می‌شود و در واکنشی بسیار سریع و انفجاری، خسارات سنگینی به بار می‌آورد.
اکنون فرض کنید که بخواهیم در این آزمایش از آهن به صورتی استفاده کنیم که به ازای وزنی یکسان، در مقایسه با یک میخ آهنی، دارای مساحت سطح بسیار زیادتری باشد. پشم فولاد (که بیش‌تر آهن است) همان چیزی است که لازم داریم. (سیم ظرفشویی ماده‌ی مناسبی است که در آزمایش می‌توان از آن استفاده کرد.) اما واضح است که حتی پشم فولاد نیز نمی‌تواند با آهنگی مناسب برای آزمایش ما با اکسیژن واکنش کند. اگر چنین بود اصلاً پشم وجود نمی‌داشت، چرا که پس از مدت کوتاهی ماندن در معرض هوا، به طور کامل تبدیل به زنگ آهن می‌شد. ناگزیر باید واکنش پشم فولاد با هوا را تسریع کنیم تا بتوانیم آزمایش را در مدتی کوتاه به انجام برسانیم. دانشمندان پی برده‌اند که برخی از واکنش‌های شیمیایی در حضور ماده‌ای دیگر تسریع می‌شوند. این گونه مواد تسریع کننده را کاتالیزور می‌نامند. اسید استیک رقیق می‌تواند سطح پشم فولاد را تمیز کند. به علاوه معلوم شده است که این ماده می‌تواند اثر کاتالیزوری بر واکنش پشم فولاد با اکسیژن هوا داشته باشد، و واکنش را به قدری سریع می‌کند که اکسیژن موجود در محیط واکنش، در مدت چند دقیقه به طور کامل مصرف می‌شود. سرکه‌ی سفید، که به آسانی می‌توان آن را تهیه کرد، محلول پنج درصد اسید استیک در آب است. اگر این سرکه به گونه‌ای مناسب رقیق شود، به خوبی به عنوان کاتالیزورِ مورد نیاز آزمایش عمل می‌کند.
و اما در مورد شیوه‌ی کار: توده‌ای از پشم فولاد آغشته به سرکه را در ته لوله‌ی آزمایش می‌گذاریم و کمی فشرده می‌کنیم تا در هنگام وارونه کردن لوله‌ی آزمایش، بیرون نیافتد. سپس لوله‌ی آزمایش را به طور وارونه روی ظرفی پر از آب قرار می‌دهیم به طوری که فقط دهانه‌ی لوله‌ی آزمایش زیر سطح آب قرار بگیرد. به این ترتیب، حجمی از هوا که برابر است با حجم لوله‌ی آزمایش، در لوله محبوس می‌شود. (می‌توان از انحلال‌پذیری ناچیز هوا در آب صرف‌نظر کرد.)
اکسیژن هوای موجود در لوله‌ی آزمایش، به سرعت با آهن موجود در پشم فولاد ترکیب می‌شود و زنگ آهن جامدی تولید می‌کند که حجم ناچیز و قابل اغماضی دارد. درنتیجه، حجم هوای (کم اکسیژن شده‌ی) داخل لوله‌ی آزمایش کم می‌شود و خلأ نسبی در لوله به وجود می‌آید. بنابراین، به علت بیش‌تر بودن فشار هوای بیرون (که بر سطح آب وارد می‌شود) نسبت به فشار هوای درون لوله، آب در داخل لوله بالا می‌رود و جای اکسیژن مصرف شده را می‌گیرد. به این ترتیب، حجم آب وارد شده به لوله‌ی آزمایش برابر است با حجم اکسیژن اولیه‌ی موجود در هوای محبوس در لوله‌ی آزمایش.
چون حجم هوای اولیه در لوله‌ی آزمایش با طول لوله (1L)، و حجم آب وارد شده به لوله با ارتفاع بالا آمدن آب (2L) متناسب است (در هر دو حالت سطح مقطع ظرف یکسان است)، نسبت حجمی اکسیژن اولیه‌ی موجود در هوا را به آسانی می‌توان حساب کرد: 2O%=100×1L/2L.
وسایل کار مورد نیاز: وسایلی که برای انجام این آزمایش نیاز دارید عبارتند از: -یک پیمانه‌ی پلاستیکی یا شیشه‌ای با درجه‌بندی برحسب سانتیمتر مکعب (cc). –سرکه‌ی سفید پنج درصد (cc30). –خط‌کش شفاف پلاستیکی با تقسیم‌بندی‌های یک میلیمتری. –دستکش لاستیکی یا دستکش پلاستیکی یک‌بار مصرف. –یک لوله‌ی آزمایش cc27 (به قطر 18 و طول 150 میلیمتر). –یک بسته پشم فولاد (یا سیم ظرف‌شویی)؛ هرچه ظریف‌تر بهتر. –گیره‌ی لوله‌ی آزمایش که از یک رخت‌آویز و یک تکه لوله‌ی لاستیکی درست شده است. –دو حلقه کشِ لاستیکی. –کاغذ رسم نمودار (کاغذ میلیمتری).
روش انجام آزمایش: برای انجام آزمایش، این کارها را به ترتیب انجام دهید: 1. بطری سرکه‌ی سفید پنج درصد را خوب تکان دهید و cc30 سرکه را در پیمانه بریزید. سپس cc20 آب اضافه کنید و خوب هم بزنید. 2. طول لوله‌ی آزمایش را اندازه بگیرید (برحسب میلیمتر). نقطه‌ی وسط، بین آغاز و پایان قوس انتهای لوله را، به عنوان یک سر لوله در نظر بگیرید. 3. با استفاده از کش‌ها، خط‌کش را روی لوله‌ی آزمایش وارونه شده سوار کنید. وضعیت خط‌کش را طوری تنظیم کنید که دهانه‌ی لوله‌ی آزمایش بر نقطه‌ی صفر خط‌کش منطبق شود. 4. پشم فولاد (یا سیم ظرف‌شویی) که معمولاً به صورت نواری لوله شده است را باز کنید و نواری به پهنای تقریبی دو سانتیمتر از آن ببرید. وزن تقریبی فلز این نوار هفتاد و پنج صدم گرم است که بیش‌تر از حد کافی برای واکنش با اکسیژن درون لوله‌ی آزمایش است. 5. پشم فولاد را در محلول سرکه‌ی تهیه شده فرو ببرید و درحدود یک دقیقه مخلوط را هم بزنید. 6. دستکش دست کنید و پشم فولاد را از داخل محلول اسیدی بیرون بیاورید. پشم فولاد را در میان دو تکه حوله‌ی کاغذی بفشارید تا اسید اضافی زدوده شود. این عمل را چندین بار با استفاده از حوله‌های کاغذی خشک (استفاده نشده) تکرار کنید تا این که لکه یا اثر رطوبتی از پشم فولاد بر حوله دیده نشود. 7. در حالی که دستکش به دست دارید، پشم فولاد را بکشید تا مساحت سطح مؤثر آن زیاد شود. در این حالت، طول تکه‌ی پشم فولاد باید درحدود سی سانتیمتر باشد. اکنون پشم فولاد را روی حوله‌ی کاغذی قرار دهید. 8. محلول اسیدی را تخلیه کنید، پیمانه را با آب بشویید، و سپس آن را تا حدود دو سوم از آب پر کنید. 9. حالا با استفاده از مداد، نوار پشم فولاد را در ته لوله بفشارید و آن را در دو سوم طول لوله جای دهید. سعی کنید توده‌ی آهنی تا حد امکان کم‌تر در هم فشرده باشد. چهار سانتیمترِ بالای لوله‌ی آزمایش (از دهانه) نباید حاوی پشم فولاد باشد. 10. لوله‌ی آزمایش را وارونه کنید و آن را به سرعت در آب درون پیمانه فرو ببرید به طوری که فقط لبه‌ی دهانه‌ی لوله زیر سطح آب قرار بگیرد. سپس خیلی سریع خط‌کش را طوری تنظیم کنید که علامت صفر آن بر سطح آب داخل لوله منطبق شود. از حالا به بعد، خط باید نسبت به لوله‌ی آزمایش ثابت بماند و حرکت نکند. لوله‌ی آزمایش را در گیره ثابت نگه دارید. 11. هر دو دقیقه یک بار، سطح آب را آن طور که خط‌کش نشان می‌دهد مشخص کنید. سطح آب را از پایین‌ترین نقطه‌ی تقعر آب اندازه‌گیری کنید. پیش از خواندن خط‌کش، لوله‌ی آزمایش و خط‌کش را در آب داخل پیمانه پایین ببرید تا سطح آب داخل و خارج لوله‌ی آزمایش تقریباً یکسان باشد. پس از بیست دقیقه، فاصله‌ی زمانی اندازه‌گیری‌ها را از دو تا پنج دقیقه افزایش دهید. اندازه‌گیری‌های نهایی را سه یا چهار بار تکرار کنید تا مطمئن شوید که واکنش کامل شده است. در طی آزمایش، سطح آب در لوله‌ی آزمایش بالا می‌رود. 12. وقتی که واکنش کامل شد (زمانی که سطح آب ثابت ماند)، لوله‌ی آزمایش را از پیمانه بیرون بیاورید و پشم فولاد را با استفاده از قلابی که از یک گیره‌ی کاغذ درست کرده‌اید بیرون بکشید. به رنگ پشم فولاد توجه کنید؛ سپس پشم فولاد را در بشقابی در هوای آزاد قرار دهید و در طی روزهای بعد تغییرات آن را مشاهده کنید. 13. لوله‌ی آزمایش را تمیز کنید.
ارزیابی داده‌ها: 1. با استفاده از رابطه‌ی 2O%=100×طول لوله (mm)/سطح نهایی آب (mm)، درصد حجمی اکسیژن هوا را محاسبه کنید. 2. با علامت‌گذاری سطح آب برحسب میلیمتر (محور عمودی) در زمان‌های مختلف برحسب دقیقه (محور افقی) بر روی کاغذ میلیمتری، و رسم بهترین منحنی‌ای که بر نقاط علامت‌گذاری شده منطبق باشد، نمودار تغییرات زمانی سطح آب و درواقع آهنگ مصرف اکسیژن را رسم کنید.
پرسش‌ها و پیشنهادها: 1. پیشنهاد می‌شود که این آزمایش را یک بار فقط برای آشنا شدن با روش کار انجام دهید. در اولین تلاش، نگران به دست آوردن نتایج دقیق نباشید چون به احتمال قوی مشکلاتی از لحاظ تنظیم کردن خط‌کش، قرار دادن لوله‌ی آزمایش در آب، و اندازه‌گیری سطح آب خواهید داشت. پس از آن آزمایش را دو یا سه بار دیگر تکرار کنید، و سعی کنید همه‌ی آزمایش‌ها را در شرایط مشابه انجام دهید و حداکثر وقت را به کار ببرید. کامل شدن واکنش درحدود چهل تا چهل و پنج دقیقه طول خواهد کشید. آن‌گونه که در کتاب‌های مرجع فیزیک و شیمی نوشته شده است، درصد حجمی اکسیژن در هوا 946ر20 است. عددی که شما به دست می‌آورید باید حداکثر پنج درصد با این رقم تفاوت داشته باشد. سعی کنید اختلاف نتایج شما در محدوده‌ی یک درصد باشد. 2. در پایان آزمایش، پس از بیرون آوردن پشم فولاد از داخل لوله‌ی آزمایش خواهید دید که رنگ آن نه شبیه به نمونه‌ی اولیه است و نه شبیه به زنگ آهن. نمونه‌ی واکنش کرده را در بشقاب در معرض هوای آزاد قرار دهید و به هرگونه تغییر ظاهری فلز در چند روز بعدی توجه کنید. چه اتفاقی می‌افتد؟ 3. آیا آن بخش از حجم لوله‌ی آزمایش که توسط پشم فولاد اشغال می‌شود عامل مهمی در خطای آزمایشی است؟ پاسخ منفی است. اما علت روشن نیست. چطور ممکن است حجم پشم فولاد را نادیده گرفت؟ چگالی یک ماده عبارت است از جرم آن تقسیم بر حجم آن، یا d=m/V. چگالی آهن و بیش‌تر فولادها درحدود 8ر7 گرم بر سانتیمتر مکعب است. در این آزمایش، جرم پشم فولاد مصرف شده درحدود 75ر0 گرم است. پس حجم آن می‌شود:V=m/d=(0.75g)/(7.8g/cc)=0.1cc . در مقایسه با حجم لوله‌ی آزمایش که cc27 است، می‌بینیم که حجم پشم فولاد ناچیز است. 4. آیا در واکنش اکسیژن با فولاد فعال شده، گرما تولید می‌شود؟ سعی کنید وسیله‌ای برای انجام آزمایشی ساده به منظور یافتن پاسخ این پرسش طرح کنید. اگر پاسخ مثبت باشد، فکر می‌کنید که این گرما بر نتیجه‌ی آزمایش مؤثر است؟ 5. آیا در آزمایش کردن موفق بودید؟ آیا از لحاظ شیوه‌ی کار مشکلی نداشتید؟ آیا نظری در مورد بهتر کردن آزمایش دارید؟ درباره‌ی بسط دادن این آزمایش، آزمایش‌های مرتبط با آن، یا کاربردهای عملی این آزمایش نظری ندارید؟ در این موارد فکر کنید.