مفاهيم أساسية

الكيمياء

قابلية الذوبان

درجة الحرارة

التشبع

مقدمة

وأنت تشاهد فيلمًا من أفلام الحركة، إذا بالبطل يقتحم نافذة زجاجية! أو تجد نافذة سيارة تتحطم في أثناء مطاردة مثيرة! يبدو الزجاج حقيقيًّا فعلًا، ولكن صدق أو لا تصدق، نادرًا ما يُستخدم الزجاج الحقيقي لتلك المشاهد في الأفلام. هل يمكنك تخمين ماذا يُستخدم بدلًا منه؟ إذا كنت تفكر في الحلوى، فأنت على حق! فبدلًا من استخدام زجاج حقيقي، وهو مكلِّف، وصعب الاستبدال به في حالة المشاهد المتعددة والخطيرة، تستخدم الأفلام الزجاج السكري! فهو رخيص، وسهل لصنع بديل يبدو كالزجاج وله مذاق الحلوى! في هذا النشاط ستقوم بعمل نسختك الرائعة، وهي نافذة من زجاج السكر الملون تبدو شهيةً للأكل!

معلومات أساسية

أغلب الظن أنك تعرف سكر المائدة جيدًا. فأنت تعرف طعمه، وشكله. بل وربما تعرف أنه يُستخلص من قصب السكر أو بنجر السكر (وهذه معلومة صحيحة، إذ يُستخلص 20 في المئة من السكر في العالم من البنجر!). هناك عدة أنواع مختلفة من السكر، تتميز بتركيبها الكيميائي. الاسم الكيميائي لسكر المائدة هو السكروز. والسكروز جزيء سكر كبير نسبيًّا، يمكن تكسيره إلى سكريات بسيطة أصغر تسمى جلوكوز وفركتوز. عندما نقول سكر في هذا النشاط، فإننا نقصد السكروز.

تُسمى بلورات سكر المائدة التي نستطيع أن نراها ونلمسها حبيبات السكر. وهي تتكوَّن من ملايين من جزيئات السكروز الصغيرة، التي تتجمع كلها معًا. يحتوي مكعب السكر الواحد على ما لا يقل عن مليار تريليون جزيء سكروز!

إذا كنت قد وضعت في أي وقت مضى مكعب سكر أو ملعقةً صغيرةً من السكر في كوب من الشاي أو عصير الليمون، فأنت تعرف أن السكر يذوب عادةً في الماء. عندما يحدث هذا، لا يمكنك رؤية السكر في السائل (بالرغم من إمكانية تذوقه!).

عند إضافة السكر إلى الماء (أو المشروبات التي يكون الماء هو مكوِّنها الأساسي)، تتفكك هذه الحبيبات الكبيرة الى جزيئات سكروز أحادية صغيرة جدًّا لا يمكن رؤيتها؛ نتيجةً لانجذابها إلى جزيئات الماء. وفي ضوء انجذاب جزيئات السكروز والماء بعضها إلى بعض، يمكن ذوبان الكثير من السكر في الماء. إلا أننا بحاجة إلى الكثير من السكر للحصول على حلوى حلوة المذاق. وهذا أمر صعب؛ لأنه مثلما يمكن للإسفنجة استيعاب الكثير من الماء ولكن إلى حدّ معين، فإن الماء نفسه يمكنه فقط استيعاب كمية محدودة من السكر. فعند نقطة معينة يكون هناك الكثير من جزيئات السكروز وما من جزيئات ماء كافية لإبعادها بعيدًا بعضها عن بعض. وعندها نقول إن السائل مشبع؛ إذ لا يمكنه امتصاص المزيد من السكر. عندما يصبح السائل مشبعًا لا يمكنه فصل حبيبات السكر بعضها عن بعض. في تلك الحالة يمكننا أن نرى بلورات السكر غير المنحلة في الماء. إذًا كيف نجعل بقايا السكر تلك تذوب في الماء، ونجعل الحلوى لدينا أكثر حلاوة؟ سنعرف ذلك من خلال هذا النشاط!

أدوات التجربة

• ثُمن ملعقة صغيرة من كريم التارتار

• كوب ماء

• كوب وثلاثة أرباع كوب سكرًا محبَّبًا

• نصف كوب من شراب الذرة الخفيفة

• صينية مخبوزات من الألومنيوم

• رذاذ لمنع التصاق الطعام أو ورق الخبز

• آنية طهي

• وعاء خلط

• ماء بارد وعدد قليل من مكعبات الثلج

• فرن أو سطح ساخن

• ألوان طعام

• ملعقة خشبية

• شوكة معدنية (واحدة على الأقل)

• ترمومتر الحلوى (يمكن عمل هذا النشاط بدون ترمومتر، ولكن نوصي باستخدام واحد إذا كان متوفرًا، وإذا لم يكن لديك ترمومتر، يرجى الرجوع إلى هذا الدليل على الإنترنت  لتقدير درجة حرارة شراب السكر: مراحل طهي السكر)

• قفاز مطبخ

• ساعة أو جهاز توقيت

• ورقة (أو دفتر مختبر) وقلم رصاص

• إشراف أحد الكبار للمساعدة في التعامل مع المواد عند درجات الحرارة العالية جدًّا

الإعداد للتجربة

  • ضع كريم التارتار والماء والسكر وشراب الذرة في وعاء الخلط واخلط الجميع معًا.
  • ضع عدة أكواب من الماء البارد في وعاء الخلط (حتى منتصفه على الأقل). ثم أضف عددًا قليلًا من مكعبات الثلج.
  • ضع ترمومتر الحلوى في وعاء الخلط -تأكد من عدم ملامسته لأسفل الوعاء.
  • رش صينية الألومنيوم برذاذ منع الالتصاق أو غطِّها بورق الخبز. إذا كنت تستخدم ورق الخبز، فعليك بثني الحواف بحيث تأخذ شكل الصينية.
  • ارسم جدولًا مكونًا من أعمدة: أحدها لدرجة الحرارة، وثانٍ للزمن، وثالث للشكل، وآخر للقوام، وعمودًا للمشاهدات الأخرى على الورقة أو في دفتر المختبر الخاص بك. ثم ارسم ثمانية صفوف. املأ كل صف من صفوف عمود درجة الحرارة على النحو التالي:

الصف 1 "درجة حرارة الغرفة 1"

الصف 2 "110 درجة مئوية"

الصف 3 "113 درجة مئوية"

الصف 4 "118 درجة مئوية"

الصف 5 "124 درجة مئوية"

الصف 6 "135 درجة مئوية"

الصف 7 "149 درجة مئوية"

الصف 8 "درجة حرارة الغرفة 2"

خطوات التجربة

ملحوظة: شراب السكر ساخن للغاية ولزج! لذلك يجب عمل الخطوات التالية بمساعدة شخص كبير وإشرافه.

  • في أول صف من الجدول، املأ الأعمدة الأربعة الأخرى بناء على ملحوظاتك. استخدم ملعقة خشبية (أو يديك النظيفة) لملاحظة شكل محتويات الوعاء وقوامها. دوِّن في عمود المشاهدات الأخرى أي شيء يبدو مثيرًا للاهتمام. ما مدى قوام السائل في الوعاء؟ هل تجده أقرب إلى قوام الماء أم شراب القيقب؟ هل المحلول صافٍ؟ هل يمكنك رؤية المكوِّنات المنفصلة، مثل السكر، أم أنه ذاب في الماء؟ ماذا تتوقع أن يحدث إذا سخنت الخليط؟
  •  ضع القِدر على الموقد، واضبطه على درجة حرارة متوسطة. سجل وقت بدء تسخين السائل في الصف الأول تحت عمود الزمن. كن حذرًا في أثناء تسخين المحلول: لجعل نافذة صافية تحتاج إلى تسخين السكر ببطء، وإلا فسوف يتكرمل (يتحول الى اللون البني). استخدم الملعقة الخشبية لتحريك الخليط ببطء، ولاحظ تماسكها وشكلها. استمر في تحريك المحلول حتى يغلي ببطء.
  • عندما تصل درجة حرارة الترمومتر إلى 110 درجات مئوية، اطلب من مساعدك الكبير استخدام الملعقة الخشبية لينقل بحذر كميةً صغيرة من المحلول من القدر إلى وعاء الماء الثلجي. سجّل الوقت الذي وصلت فيه درجة الحرارة إلى 110 درجات مئوية في الصف الثاني من الجدول.
  • انتظر حتى يبرد السكر، ثم استكشف بيديك قطرة محلول السكر في الماء. دوِّن ملحوظاتك في الصف الثاني من الجدول. كيف تبدو؟ هل تذوب بين أصابعك أم تحتفظ بشكل؟ هل هي صلبة أم لينة؟ ما شكلها؟ كيف يبدو المحلول في القدر؟ كيف تغيَّر منذ أن بدأت في تسخينه؟
  • كرر هذه الخطوات حتى تصل درجة الحرارة 113 درجة مئوية. واطلب من الشخص الكبير استخدام الملعقة الخشبية لوضع كمية صغيرة من المحلول بعناية في وعاء الماء الثلجي. سجِّل الوقت الذي وصلت فيه درجة الحرارة إلى 113 درجة مئوية في الصف الثالث من الجدول.
  • انتظر حتى يبرد السكر، ثم استكشف بيديك قطرة محلول السكر في الماء. دوِّن ملحوظاتك في الصف الثالث من الجدول. كيف تغيَّر قوام السكر وشكله؟ كيف يبدو؟ هل يذوب بين أصابعك أم يبقي على شكله؟ هل هو صلب أم لين؟ هل يمكنك تشكيله لعمل أشكال مختلفة؟ ماذا يحدث إذا حاولت إخراجه من الماء البارد؟ ما شكله؟ كيف يبدو المحلول في القِدر؟ كيف تغير منذ أن بدأت في تسخينه؟
  • كرر هذه الخطوات عندما تصل درجات الحرارة إلى 118 درجة مئوية، و124 درجة مئوية، و135 درجة مئوية، و149 درجة مئوية. إذا كانت درجة حرارة شراب السكر لا تتزايد، زد حرارة الموقد تدريجيًّا. مع ارتفاع درجة حرارة المحلول، اترك وقتًا كافيًّا له ليبرد في الماء المثلج قبل التعامل معه. يمكنك إضافة الثلج إلى الوعاء وفق الحاجة للحفاظ عليه باردًا.
  • عندما تكون درجة الحرارة بين 149 مئوية و154 مئوية، اطلب من مساعدك الكبير صب خليط السكر بعناية في الصينية المجهزة بورق الألومنيوم. وزِّع شراب السكّر بالتساوي في الصينية بملعقة.
  • ضع ألوان الطعام على سطح الشراب الساخن. استخدم شوكةً لعمل دوَّامات من الألوان –استمتع بوقتك وكن مبدعًا! ولكن لا تلعق الشوكة فشراب السكر ساخن جدًّا!
  • اترك الشراب ليبرد تمامًا.
  • أزِل الزجاج السكري بعناية من الصينية. ارفعه أمام مصدر ضوء أو نافذة حتى تتمكن من رؤية الألوان بوضوح. ما أروعها!
  • املأ الصف الأخير (الصف الثامن) في الجدول. لاحظ الفرق في شكل محلول السكر وملمسه وقوامه عند كل درجة حرارة مختلفة. في أي درجة حرارة لاحظت أكبر تغيُّر في الشكل؟ في أي درجة حرارة لاحظت أكبر تغيرات في قوام شراب السكر؟

هل ارتفعت درجة حرارة السكر على نحوٍ أسرع عند درجات حرارة معينة مما كانت عليه في أخرى؟

  • نشاط إضافي: يمكن صنع أنواع مختلفة من الحلوى عن طريق تغيير درجة حرارة السكر ومعدل تسخينه وتبريده. يمكنك محاولة صنع حلوى مختلفة عن طريق رفع شراب السكر عند درجات حرارة أقل وملاحظة أنواع الحلوى المصنوعة في كل مرحلة من مراحل درجات الحرارة. يمكنك أن تجرب درجات حرارة أعلى ولكن كن حذرًا، فالسكر يحترق عند درجة 177 مئوية.

الملحوظات والنتائج

لعلك لاحظت في هذا النشاط التغيُّرات الفيزيائية التي يمر بها السكروز وهو يذوب في الماء ويسخّن. عندما بدأت النشاط في درجة حرارة الغرفة 1 كان المحلول مشبعًا، وكان بإمكانك رؤية بلورات السكر في الماء. إلا أنه، مع تسخين شراب السكر، ذاب السكر وأصبح المحلول صافيًا بحيث لم تعد قادرًا على رؤية بلورات السكر الأحادية.

لماذا يسمح تسخين المحلول بذوبان المزيد من السكر في الماء في الوقت الذي لم يكن ذلك ممكنًا من قبل؟ يتسبب تسخين المحلول في تحريك الجزيئات أكثر وبسرعة أكبر. ونتيجةً لذلك، فإن السكر وجزيئات الماء يُلامس بعضُها بعضًا بمعدل أكبر، وبقوة أشد. تخيل بناء ثلاث سيارات ليجو، ووضع السيارات في جرة معًا. إذا رججت الجرة بلطف، فإن عددًا قليلًا من قطع الليجو قد يسقط، ولكن السيارات ستبقى سليمة إلى حد كبير. إلا أنك إذا رججتها بعنف أكبر، فإن السيارات سيصطدم بعضها ببعض بمعدل وقوة أكبر، ومن ثم ستتفكك المزيد من القطع من العربات. يشبه هذا ما يحدث عند تسخين محلول السكر. إذ تصطدم جزيئات الماء بجزيئات السكر، مما يتسبب في فصلها عن حبيبة السكر الأكبر.

يُفترض أن تكون قد لاحظت تغييرات أخرى في مظهر شراب السكر وقوامه في أثناء ذوبان السكر في المحلول. فعند كل درجة حرارة مسجلة، كان السكر في المحلول في مرحلة مختلفة. إذ تتميز هذه المراحل بتغيُّرات في المظهر الفيزيائي وشكل السكر. تحدث هذه التغيرات كلما تبخر الماء من المحلول وبالتالي زاد تركيز السكر في المحلول. عند درجة حرارة 110 مئوية كان شراب السكر في المرحلة الخيطية. وفي هذه المرحلة يكون شراب السكر مكونًا من حوالي 80 في المئة سكرًا و20 في المئة ماء، إذ لا يزال الماء كثيرًا على أن يأخذ الشراب شكلًا ما. وعند وضع شراب السكر في الماء البارد، يتشكّل سائل خيطي رخو للغاية، لا يمكنه على الأرجح تكوين شكل متماسك. وعلى الرغم من أنك لا يمكنك صنع الحلوى في هذه المرحلة، فإنه يمكنك عمل شراب السكر.

تُعرف المرحلة التالية من طهو السكر باسم مرحلة الكرة اللينة، وتكون عند درجة حرارة 113 درجة مئوية. عند هذه الدرجة يكون تركيز السكر في الشراب حوالي 85 في المئة واسم هذه المرحلة ربما يكون مفهومًا لك؛ إذ إن ارتفاع تركيز السكر يجعل الشراب أكثر سُمكًا، مما يسمح له باتخاذ شكل معين. فعند وضع شراب السكر في الماء البارد كان ممكنًا تشكيله في شكل كرة لينة ومرنة. إذا أخرجت الكرة من الماء، يُفترض أنك قد لاحظت أنها سوف تفقد شكلها وتتسطح. إذا رفعت السكر عن الموقد في هذه المرحلة، فسيمكنك صنع حلوى الفدج أو حلوى البرالين!

في المرة التالية التي اختبرت فيها الشراب، عند درجة حرارة 118 درجة مئوية، فإنه يكون قد وصل إلى مرحلة الكرة المتماسكة. هل يمكنك تخمين لماذا تسمى هذه المرحلة بهذا الاسم؟ بالتأكيد تستطيع لأنك عندما أسقطت الشراب في الماء البارد في هذه المرحلة، أمكنك تشكيل كرة متماسكة تحتفظ بشكلها عند إخراجها من الماء. عند هذه الدرجة يمثل السكر حوالي 87 في المئة من الشراب، ومجرد هذا الفرق الضئيل في تركيز السكر قد يؤدي إلى تغيير جذري في صلابة الشراب.

تُعرف المرحلة التالية بمرحلة الكرة الصلبة، ونصل إليها عند تسخين الشراب إلى درجة حرارة 124 درجة مئوية. عند هذه الدرجة يكون تركيز السكر 92 في المئة، ولعلك لاحظت تشكُّل خيوط سميكة مثل الحبال بمجرد تقطر الشراب من الملعقة في الماء البارد. ونظرًا لكون الشراب يحتوي على رطوبة أقل في هذه المرحلة، فبمجرد وصوله إلى الماء البارد فإنه يشكّل كرة صلبة من الصعب إعادة تشكيلها في أشكال مختلفة. تُصنع حلوى المارشملو والجيلي من السكر في مرحلة الكرة الصلبة.

لعلك لاحظت تميُّز الشراب بظهور فقاعات أكثر سُمكًا وأصغر حجمًا عند درجة حرارة 135 مئوية. تُعرف هذه المرحلة باسم مرحلة الفجوات اللينة، وتتميز بارتفاع تركيز السكر للغاية، إذ يبلغ حوالي 95 في المئة. ونتيجةً لذلك، عند وضع الشراب في الماء البارد تشكلت خيوط قابلة للثني قليلًا قبل كسرها. إذا كنت تريد أن تصنع حلوى التافي، فعليك رفع السكر من على الموقد في هذه اللحظة.

المرحلة النهائية في هذا النشاط هي الفجوات الصلبة، ونصل إليها عند تسخين الشراب إلى درجة 149 مئوية. عند درجة الحرارة هذه، يكون كل الماء تقريبًا قد تبخر، وبالتالي فإن تركيز السكر في المحلول يصل إلى 99 في المئة. وعند وضعه في الماء البارد، تتكون خيوط هشة صلبة من شأنها أن تتكسر بسهولة. تُستخدم هذه المرحلة عند صنع حلوى الطوفي والحلوى الصلبة، مثل المصاصات، أو الزجاج السكري الذي يستخدمونه في الأفلام السينمائية!

قد تتساءل إذًا: لماذا أضفنا المكونات الأخرى، مثل شراب الذرة وكريم التارتار؟ تساعد إضافة هذه المكونات في الوصول إلى هيكل شفاف يشبه الزجاج الذي نريده في هذا النشاط. إذ يعمل شراب الذرة على منع جزيئات السكر من الترابط معًا مرة أخرى وتكوين حبيبات كبيرة (أو بلورات) عندما يبرد. أما كريم التارتار فهو يساعد على المزيد من التكسير لجزيئات السكروز، إلى سكريات الفركتوز والجلوكوز البسيطةـ وتجعل ألوان الطعام كل شيء يبدو كعمل فني!

تم إعداد هذا النشاط بالتعاون مع أصدقاء العلوم (ساينس باديز)