جواب فصل چهارم بخش دوم علوم تکمیلی هفتم ؛ در این مقاله به جواب و حل سوال های فعالیت ، آزمایش کنید ، متن تکمیلی و خود را بیازمایید صفحه ۲۳ ، ۲۴ ، ۲۶ ، ۲۷ ، ۲۸ ، ۲۹ ، ۳۱ و ۳۲ فصل چهارم «مواد پیرامون ما» بخش دوم «مواد؛ الفبای زندگی» علوم تجربی تکمیلی (ویژه مدارس استعداد درخشان) پایه هفتم متوسطه اول پرداخته ایم. در ادامه با بخش آموزش و پرورش ماگرتا همراه ما باشید.
همچنین بخوانید: گام به گام کتاب علوم تجربی تکمیلی (ویژه مدارس استعداد درخشان) هفتم
جواب فعالیت صفحه ۲۳ فصل چهارم بخش دوم علوم تکمیلی هفتم
مواد خام و انواع آن
هر آنچه در پیرامون ما وجود دارد، ماده است و این مواد خود از مواد دیگری ساخته شده‌اند که به آن ماده خام می‌گویند. مواد خام انواع مختلفی دارند و بنا به ماهیت، اینکه کجا استفاده می‌شود و یا چگونه در ساخت مواد دیگر مورد استفاده قرار می‌گیرد، انواع مختلفی دارد یا می‌توان آن را در دسته‌های مختلفی طبقه‌بندی کرد. برای یک دسته‌بندی خوب باید معیار مناسب داشت. جدول زیر را با توجه به معیارهای طبقه‌بندی برای مواد خام پُر کنید:
پاسخ: در جدول زیر، مواد خام بر اساس منشأ، نوع استفاده، نقش در تأمین انرژی، ذره‌های سازنده و تجدیدپذیری دسته‌بندی شده‌اند. برای ستون «مادهٔ خام» می‌توان نمونه‌های مناسبی مانند نفت، چوب و سنگ‌آهن نوشت.
| مادهٔ خام | معیار طبقه‌بندی | دسته‌های طبقه‌بندی |
|---|---|---|
| مادهٔ خام | منشأ | طبیعی ـ مصنوعی |
| نوع استفاده | استفادهٔ مستقیم ـ استفادهٔ غیرمستقیم | |
| تأمین انرژی | انرژی ـ غیرانرژی | |
| ذره‌های سازنده | عنصر ـ ترکیب ـ مخلوط | |
| تجدیدپذیری | جبران‌پذیر ـ جبران‌ناپذیر |
جواب فعالیت صفحه ۲۳ فصل ۴ بخش ۲ علوم تکمیلی هفتم
تصور کنید که شما کاشف یک عنصر جدید هستید و می‌خواهید این عنصر را به‌صورت یک مقاله علمی معرفی کنید. این مقاله را در دو صفحه بنویسید و در کلاس بخوانید.
قبل از نوشتن مقاله به سؤالات زیر پاسخ دهید.
الف) ساختار اتمی عنصر تازه کشف شده را توصیف کنید.
ب) این عنصر در کدام دسته‌ها از طبقه‌بندی‌های مرسوم جا می‌گیرد؟
ج) ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی عنصر را لیست کنید.
د) این عنصر چه ویژگی خاص و منحصر به‌فردی دارد که با آن معرفی می‌شود؟ ه) کاربردهای این عنصر را بنویسید.
…. چند سؤال دیگر هم خودت به لیست اضافه کن و جواب بده. این سؤالات حتماً تو را در نوشتن مقاله معرفی عنصر خیالی کمک می‌کند.
ایرادی ندارد عنصرت تخیلی باشد و وجود نداشته باشد اما باید با قواعد علمی سازگار باشد.
پاسخ: بخش پاسخ به سوالات مقدماتی (آمادگی برای مقاله)
الف) ساختار اتمی عنصر: این عنصر که آن را «آریاکانیوم» (Aryakanium) نامیده‌ایم، دارای عدد اتمی ۱۲۰ است. در هسته آن ۱۲۰ پروتون و ۱۸۰ نوترون قرار دارد. الکترون‌های آن در ۸ لایه اتمی آرایش یافته‌اند و در لایه آخر دارای ۲ الکترون است.
ب) دسته‌بندی: این عنصر در دسته فلزات قلیایی خاکی (گروه ۲ جدول تناوبی) و در دوره هشتم قرار می‌گیرد. همچنین جزو عناصر مصنوعی و فوق سنگین است.
ج) ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی:
فیزیکی: جامد، با جلای فلزی نقره‌ای، چگالی بسیار بالا (حدود ۲۰ گرم بر سانتی‌متر مکعب) و رسانای عالی برق.
شیمیایی: بسیار واکنش‌پذیر (به‌ویژه با اکسیژن و آب)، تمایل شدید به از دست دادن ۲ الکترون و تشکیل یون با بار مثبت ۲ (نماد: Ak²⁺).
د) ویژگی منحصربه‌فرد: این عنصر برخلاف سایر عناصر سنگین، دارای یک «جزیره پایداری» در هسته خود است؛ یعنی با وجود سنگین بودن، نیمه‌عمر بسیار طولانی دارد و به‌سرعت متلاشی نمی‌شود. همچنین در برابر ضربه، خاصیت آهنربایی موقت پیدا می‌کند.
ه) کاربردها: استفاده در سپرهای حرارتی فضاپیماهای پیشرفته، ساخت مگنت‌های فوق‌قوی برای قطارهای سریع‌السیر و استفاده در پزشکی هسته‌ای برای تشخیص بیماری‌های خاص.
سوالات پیشنهادی دیگر:
- و) دمای ذوب و جوش آن چقدر است؟ دمای ذوب حدود ۱۲۰۰ درجه سلسیوس.
- ز) در طبیعت یافت می‌شود؟ خیر، فقط در شتاب‌دهنده‌های ذرات با بمباران هسته‌ای تولید می‌شود.
مقالهٔ کامل: گزارش کشف و سنتز عنصر ۱۲۰، آریاکانیوم (Ak)
نام کاشفان: تیم پژوهشگران آزمایشگاه ملی فیزیک هسته‌ای
تاریخ کشف: زمستان ۱۴۰۵
مقدمه: از آن روزی که بشر برای نخستین‌بار با جدول تناوبی عناصر آشنا شد، همواره این پرسش مطرح بوده است که «آیا هنوز عناصر جدیدی برای کشف باقی مانده است؟» سال‌ها تصور می‌شد که همهٔ عناصر شناخته‌شده را پیدا کرده‌ایم؛ اما دانشمندان با ساخت شتاب‌دهنده‌های بزرگ ذرات، توانستند به دنیای عناصر فوق‌سنگین پا بگذارند. پس از سال‌ها پژوهش و آزمایش‌های بی‌شمار، تیم تحقیقاتی ما موفق شد عنصری بسازد که عدد اتمی آن ۱۲۰ است؛ عنصری بسیار سنگین و ناپایدار که تاکنون هیچ‌کس نتوانسته بود آن را به‌دست آورد. ما این عنصر را به افتخار سرزمین و تمدن کهن ایران، «آریاکانیوم» (Aryakanium) با نماد شیمیایی Ak نام‌گذاری کردیم.
اما نکتهٔ شگفت‌انگیز این است که آریاکانیوم با وجود سنگینی بیش از حد، برخلاف هم‌خانواده‌های خود بسیار پایدار است. این کشف، نظریه‌ای را که سال‌ها در فیزیک هسته‌ای به آن «جزیرهٔ پایداری» می‌گفتند، برای نخستین‌بار به اثبات رساند. در ادامه، این عنصر شگفت‌انگیز را از جنبه‌های گوناگون معرفی می‌کنیم.
۱) ساختار اتمی آریاکانیوم
هر اتم از دو بخش اصلی ساخته شده است: هسته و الکترون‌ها. آریاکانیوم نیز از این قاعده پیروی می‌کند، اما با جزئیاتی بسیار جالب:
| ویژگی | مقدار |
|---|---|
| عدد اتمی (تعداد پروتون) | ۱۲۰ |
| تعداد نوترون | ۱۸۰ |
| عدد جرمی | ۳۰۰ |
| تعداد لایه‌های الکترونی | ۸ |
| تعداد الکترون در لایهٔ آخر | ۲ |
در هستهٔ این اتم، ۱۲۰ پروتون با بار مثبت و ۱۸۰ نوترون با بار خنثی قرار دارد. پروتون‌ها چون بار مثبت دارند، یکدیگر را دفع می‌کنند؛ اما نوترون‌های فراوان با نیروی هسته‌ای قوی، این دافعه را مهار می‌کنند. به همین دلیل هستهٔ آریاکانیوم ساختاری منسجم و مقاوم دارد. نکتهٔ حیرت‌آور این است که تعداد نوترون‌های آن (۱۸۰) عددی «جادویی» شمرده می‌شود؛ یعنی اتمی که چنین تعداد نوترون دارد، پایداری بیشتری نسبت به همسایگان خود نشان می‌دهد.
الکترون‌های این عنصر در ۸ لایهٔ اتمی به دور هسته می‌چرخند و در پوستهٔ ظرفیت (آخرین لایه) فقط ۲ الکترون دارد. همین ۲ الکترون، نقش اصلی را در واکنش‌های شیمیایی آریاکانیوم ایفا می‌کنند؛ زیرا این عنصر برای رسیدن به پایداری، تمایل شدیدی به از دست دادن همین دو الکترون دارد و در نتیجه یونی با بار مثبت ۲ (Ak²⁺) می‌سازد.
۲) جایگاه آریاکانیوم در جدول تناوبی (دسته‌بندی)
جدول تناوبی مانند یک خانهٔ بزرگ است که هر عنصر در اتاق مخصوص خود جا گرفته است. عناصر بر اساس ویژگی‌های مشترک در ردیف‌ها (دوره‌ها) و ستون‌ها (گروه‌ها) چیده شده‌اند. آریاکانیوم در این جدول جایگاه مشخصی دارد:
- گروه ۲ (فلزات قلیایی خاکی): همان گروهی که عناصر معروفی مانند منیزیم (Mg) و کلسیم (Ca) در آن قرار دارند. این عناصر هر دو الکترون در لایهٔ آخر دارند.
- دورهٔ ۸: چون عدد اتمی بالایی دارد، در پایین‌ترین ردیف جدول قرار می‌گیرد.
- دستهٔ عناصر مصنوعی: مانند عنصرهای سنگین دیگر، آریاکانیوم در طبیعت یافت نمی‌شود و فقط در آزمایشگاه ساخته شده است.
- عنصر فوق سنگین: چون عدد جرمی آن (۳۰۰) بسیار بزرگ است.
این جایگاه به ما می‌گوید که آریاکانیوم از نظر شیمیایی رفتاری شبیه به فلزات قلیایی خاکی دارد، اما به دلیل سنگینی فوق‌العاده، ویژگی‌های منحصربه‌فردی نیز پیدا کرده است.
۳) ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی
ویژگی‌های فیزیکی (مشاهده‌پذیر بدون تغییر ماهیت ماده)
| ویژگی | مقدار/توضیح |
|---|---|
| حالت در دمای اتاق | جامد |
| رنگ و جلای ظاهری | سفید مایل به نقره‌ای، درخشان و براق |
| چگالی | حدود ۲۰ گرم بر سانتی‌متر مکعب (بسیار سنگین) |
| دمای ذوب | حدود ۱۲۰۰ درجهٔ سلسیوس |
| دمای جوش | حدود ۲۵۰۰ درجهٔ سلسیوس |
| رسانایی برق و گرما | عالی |
| سختی | بسیار زیاد |
چگالی آریاکانیوم تقریباً ۱.۵ برابر چگالی طلاست! یعنی اگر یک قاشق کوچک از این فلز را در دست بگیرید، به دلیل سنگینی زیاد شگفت‌زده می‌شوید. نقطهٔ ذوب و جوش فراوان آن هم نشان می‌دهد که اتم‌هایش با نیروی بسیار محکمی به هم چسبیده‌اند.
ویژگی‌های شیمیایی (بسته به واکنش با مواد)
- واکنش‌پذیری بالا: آریاکانیوم فلزی بسیار فعال است، درست مثل فلزات قلیایی خاکی.
- واکنش با اکسیژن: به محض قرار گرفتن در هوای آزاد، با اکسیژن وارد واکنش می‌شود و لایه‌ای به‌نام اکسید آریاکانیوم روی سطحش تشکیل می‌دهد. این لایهٔ محکم و نازک، مانند یک سپر، از خوردگی بخش‌های داخلی فلز جلوگیری می‌کند.
- واکنش با آب: در تماس با آب، واکنش سریعی انجام می‌دهد و گاز هیدروژن آزاد می‌کند.
- واکنش با اسیدها: در مجاورت اسیدها، با شدت واکنش نشان می‌دهد و گاز هیدروژن فراوانی تولید می‌کند.
- تشکیل کاتیون: تمایل شدید به از دست دادن ۲ الکترون و تبدیل شدن به یون مثبت Ak²⁺ دارد.
به‌طور خلاصه، آریاکانیوم همهٔ ویژگی‌های یک فلز قلیایی خاکی را دارد، اما شدت واکنش‌های آن، به‌ویژه با آب و اسید، بیشتر و سریع‌تر است.
۴) ویژگی خاص و منحصربه‌فرد آریاکانیوم
شاید بپرسید: «این عنصر چه چیز عجیبی دارد که تا این اندازه مهم شده است؟» پاسخ ما، «جزیرهٔ پایداری» و خاصیت مغناطیسی ویژهٔ آن است.
الف) جزیرهٔ پایداری هسته‌ای
معمولاً عناصر فوق‌سنگین بسیار ناپایدارند و در کسری از ثانیه متلاشی می‌شوند. اما آریاکانیوم به‌دلیل آرایش جادویی نوترون‌های خود، برخلاف انتظار، نیمه‌عمر بسیار طولانی دارد. این یعنی زمان زیادی (در مقیاس عناصر سنگین) دست‌نخورده و پایدار می‌ماند. این ویژگی، مانند جزیره‌ای امن در اقیانوسی از عناصر ناپایدار است.
ب) خواص مغناطیسی ویژه
وقتی آریاکانیوم در معرض یک میدان مغناطیسی قوی قرار می‌گیرد، به‌طور موقت به آهنربایی بسیار قوی تبدیل می‌شود و با قطع میدان، این خاصیت را از دست می‌دهد. این رفتار، آن را برای ساخت مگنت‌های فوق‌قوی بسیار مناسب می‌سازد.
۵) کاربردهای آریاکانیوم در زندگی و صنعت
با وجود اینکه این عنصر تازه کشف شده و هنوز در آغاز راه است، دانشمندان کاربردهای آیندهٔ آن را چنین پیش‌بینی می‌کنند:
الف) صنعت فضا
- به‌دلیل مقاومت گرمایی عالی، از آن در سپرهای حرارتی فضاپیماها استفاده می‌شود تا هنگام عبور از جوّ زمین و در معرض گرمای شدید، از محفظهٔ خدمه محافظت کند.
- در ساخت بدنهٔ ماهواره‌ها و فضاپیماهای اعماق فضا نیز کاربرد دارد.
ب) فناوری مغناطیس
- با ترکیب آریاکانیوم با آهن، مگنت‌های فوق‌قوی تولید می‌شود که در قطارهای سریع‌السیر معلق (مگلو) و دستگاه‌های پیشرفتهٔ تصویربرداری پزشکی (ام‌آرآی) به کار می‌روند.
ج) پزشکی هسته‌ای
- از اتم‌های نشان‌گذاری‌شدهٔ آریاکانیوم برای تشخیص زودرس برخی بیماری‌ها و بررسی عملکرد اندام‌های داخلی استفاده می‌شود.
د) حافظه‌های کوانتومی و رایانه‌های آینده
- به‌دلیل ویژگی‌های مغناطیسی خاص، از اتم‌های آن در ساخت حافظه‌های کوانتومی استفاده خواهد شد که می‌توانند اطلاعات را بسیار سریع‌تر و دقیق‌تر از رایانه‌های امروزی ذخیره کنند.
ه) صنایع زیردریایی و اعماق دریا
- آلیاژهای آریاکانیوم با تیتانیوم، بدنه‌ای سبک اما فوق‌مقاوم می‌سازند که می‌تواند فشار عظیم اعماق اقیانوس را تحمل کند و برای ساخت زیردریایی‌های پیشرفته به کار رود.
۶) آیندهٔ آریاکانیوم
هر کشف بزرگ، آغاز یک ماجرای تازه است. آریاکانیوم با پر کردن یک خانهٔ خالی در جدول تناوبی، به ما فهماند که هنوز رازهای بسیاری در دنیای اتم‌ها باقی مانده است. پژوهشگران امیدوارند با مطالعهٔ ترکیبات این عنصر، مواد جدیدی بسازند که بتواند مشکلات بزرگ بشر مانند تولید انرژی پاک، درمان بیماری‌های صعب‌العلاج و سفرهای فضایی طولانی را حل کند.
نتیجه‌گیری
آریاکانیوم (Ak) نه‌تنها خانهٔ جدیدی در جدول تناوبی را پر کرده است، بلکه دریچه‌ای نو به سوی فناوری‌های فوق‌پیشرفتهٔ قرن آینده گشوده است. این عنصر با پایداری شگفت‌انگیز، ویژگی‌های مغناطیسی ویژه و کاربردهای گسترده، یکی از مهم‌ترین اکتشافات علمی دوران ماست. ما به عنوان دانش‌آموزان نیز باید با اشتیاق علم را دنبال کنیم؛ شاید روزی یکی از ما، عنصر شگفت‌انگیز دیگری را کشف کند و نام خود را در تاریخ ثبت نماید.
پاسخ آزمایش کنید صفحه ۲۴ فصل چهارم بخش دوم علوم تکمیلی هفتم
همان‌طور که از سال‌های قبل به یاد دارید، تغییرهای شیمیایی تفاوت‌های زیادی با تغییرهای فیزیکی (مانند ذوب‌شدن) دارند.
در تغییرهای فیزیکی معمولاً اندازه، شکل یا حالت ماده (جامد، مایع یا گاز) دچار تغییر می‌شوند؛ اما ماهیت ماده ثابت و بدون تغییر باقی خواهد ماند. در یک تغییر شیمیایی، ماده‌ای جدید تولید خواهد شد که خواص و ویژگی‌های متفاوتی با مواد اولیه دارد. این واکنش‌ها معمولاً با تغییر رنگ، تغییر دما، آزاد شدن گاز و یا تولید یک رسوب همراه است.
مقداری از مواد موجود در جدول زیر را در لوله‌های آزمایش جداگانه به آرامی حرارت دهید. اگر علامت خاصی از تغییر مشاهده نکردید، می‌توانید ماده را با شدت بیشتری حرارت دهید. اتفاقاتی را که هنگام حرارت دادن می‌افتند، به دقت مشاهده و نتایج را در جدول زیر یادداشت کنید:
پاسخ: جدول کامل شده:
| مادهٔ مورد آزمایش | مشاهدات در هنگام حرارت دادن | مشاهدات بعد از حرارت دادن |
|---|---|---|
| مس (II) کربنات | رنگ سبز تیره تبدیل به پودر سیاه رنگ می‌شود و بخار آب (قطرات آب) در بالای لوله می‌نشیند. | ماده کاملاً سیاه شده (مس (II) اکسید) و گاز کربن دی‌اکسید آزاد می‌شود. |
| روی اکسید | در زمان حرارت دادن به رنگ زرد درمی‌آید. | پس از سرد شدن مجدداً به رنگ سفید اولیه بازمی‌گردد. |
| موم | ابتدا ذوب می‌شود و به مایع تبدیل می‌گردد؛ سپس با حرارت بیشتر می‌جوشد و بخار می‌شود. | پس از سرد شدن مجدداً جامد می‌شود (فقط تغییر حالت می‌دهد). |
| مس (II) سولفات | رنگ آبی پودر کم‌رنگ شده و بخار آب روی دیوارهٔ لوله تشکیل می‌شود. | ماده به رنگ سفید تبدیل می‌شود (مس سولفات خشک و بدون آب). |
| شن و ماسه | هیچ تغییر رنگ، بو یا حالت خاصی مشاهده نمی‌شود و فقط گرم می‌شود. | ماده هیچ تغییری نکرده و دقیقاً همان شن و ماسهٔ اولیه است. |
به نظر شما کدام یک از این تغییرها فیزیکی‌اند؟
پاسخ کوتاه: موم (ذوب شدن) و شن و ماسه؛ زیرا ماهیت اصلی ماده تغییر نمی‌کند.
پاسخ بلند: در میان این آزمایش‌ها، ذوب شدن موم یک تغییر فیزیکی است؛ زیرا موم فقط از حالت جامد به مایع تبدیل می‌شود (و بعد از سرد شدن دوباره جامد می‌شود) و ماهیت شیمیایی آن تغییری نمی‌کند. همچنین شن و ماسه نیز با حرارت دیدن ماهیت خود را از دست نمی‌دهد و تغییر فیزیکی یا اصلاً عدم تغییر است.
آیا ماده‌ای وجود دارد که هیچ‌گونه نشانه‌ای از تغییر را نشان ندهد؟
پاسخ کوتاه: بله، شن و ماسه.
پاسخ بلند: بله؛ شن و ماسه. شن و ماسه در برابر حرارت معمولی آزمایشگاهی تغییر شیمیایی نمی‌دهد، رنگش عوض نمی‌شود، گازی آزاد نمی‌کند و فقط گرم می‌شود.
کدام‌یک از تغییرهای انجام گرفته شیمیایی‌اند؟ توضیح دهید که علت انتخاب شما چیست؟
پاسخ کوتاه: مس کربنات و مس سولفات؛ چون رنگ ماده عوض شده و مادهٔ جدیدی با خواص تازه تولید شده است.
پاسخ بلند: مس (II) کربنات: تغییر رنگ از سبز به سیاه و آزاد شدن گاز، نشان‌دهندهٔ تولید ماده‌ای جدید است.
مس (II) سولفات: از دست دادن آب و تبدیل بلورهای آبی به پودر سفید، یک تغییر شیمیایی-ساختاری است.
علت انتخاب: در تمام این موارد (به‌جز موم و شن)، مواد اولیه به مواد جدیدی با خواص فیزیکی و شیمیایی متفاوت تبدیل شده‌اند که از نشانه‌های اصلی تغییر شیمیایی است.
پاسخ آزمایش کنید صفحه ۲۶ فصل ۴ بخش ۴ علوم تکمیلی هفتم
همان‌طور که تجربه کردید، ژلۀ خوراکی از استحکام خیلی کمی برخوردار است و اگر روی آن فشار وارد شود، از هم باز می‌شود یا اگر روی زمین بیفتد پخش می‌شود. حال قرار است با افزودن یک ناخالصی به ژله استحکام آن را افزایش دهیم.
برای این آزمایش باید دو بسته پودر ژله را مطابق دستورالعمل آن تهیه کرد. یکی از ژله‌ها را که نمونۀ شاهد است، بدون هیچ تغییری درون قالب بریزید و داخل یخچال بگذارید تا شکل بگیرد. قالب مخلوط دوم را پیش از آنکه از محلول ژله پر کنید، با تعدادی چوب نازک خلال دندان پر کنید. سعی کنید خلال‌ها را طوری در ظرف قرار دهید که همۀ فضای قالب را بگیرد. حال مایع ژله را درون قالب بریزید و در یخچال قرار دهید.
حال دو ژله را از نظر مقاومت در برابر فشار، ضربه و افتادن از ارتفاع مقایسه کنید.
شاید لازم بود تعداد بیشتری ژله درست کنید تا خواص ژله را بیشتر مشاهده کنید.
پاسخ: ۱. در برابر فشار:
پاسخ خلاصه: ژلهٔ ساده با کمی فشار از هم باز می‌شود، اما ژلهٔ دارای خلال‌دندان مقاومت بیشتری در برابر فشار نشان می‌دهد و شکل خود را حفظ می‌کند.
پاسخ مشروح: وقتی به ژلهٔ ساده (شاهد) فشار وارد می‌کنیم، به راحتی له می‌شود و از هم می‌پاشد. اما در ژلهٔ دوم، چوب‌های خلال‌دندان مانند یک شبکهٔ اسکلتی یا تقویت‌کننده عمل می‌کنند و نیروهای وارد شده را در تمام حجم ژله پخش می‌کنند؛ بنابراین ژله در برابر فشار مقاوم‌تر است.
۲. در برابر ضربه و افتادن از ارتفاع:
پاسخ خلاصه: ژلهٔ معمولی هنگام افتادن کاملاً پخش و له می‌شود، اما خلال‌دندان‌ها مانع از هم‌پاشیدگی کامل ژلهٔ دوم می‌شوند.
پاسخ مشروح: ژلهٔ معمولی خاصیت تردی و شکنندگی بالایی دارد و با کمترین ضربه تکه‌تکه می‌شود. در مقابل، ژله‌ای که با خلال‌دندان پر شده است، هنگام ضربه دیدن یا افتادن از ارتفاع، اگرچه ممکن است ترک بردارد یا آسیب ببیند، اما به لطف وجود چوب‌ها، تکه‌ها به هم متصل می‌مانند و از پخش شدن کامل ژله جلوگیری می‌شود.
💡 نتیجه‌گیری علمی آزمایش (مناسب کلاس):
افزودن ناخالصی یا اجسام جامد (مانند چوب‌های خلال‌دندان) به یک مادهٔ نرم و کم‌استحکام (مانند ژله)، باعث افزایش مقاومت مکانیکی، کاهش شکنندگی و حفظ شکل هندسی آن می‌شود (مشابه نقش میلگرد در بتن ساختمان‌ها).
جواب فعالیت صفحه ۲۶ و ۲۷ فصل چهارم بخش دوم علوم تکمیلی هفتم
در جدول زیر رکوردهای ثبت شده در مسابقات پرش ارتفاع جهان از سال ۱۹۲۰ تا سال ۱۹۹۰ را مشاهده می‌کنید:
| سال | ۱۹۲۰ | ۱۹۳۰ | ۱۹۴۰ | ۱۹۵۰ | ۱۹۶۰ | ۱۹۷۰ | ۱۹۸۰ | ۱۹۹۰ |
| ارتفاع پرش (برحسب متر) | ۴/۲ | ۴/۳ | ۴/۵ | ۴/۶ | ۴/۸ | ۵/۳ | ۵/۷ | ۶/۱ |
آ) با رسم یک نمودار، چگونگی تغییر ارتفاع در طی سال‌های مختلف را بررسی کنید.
پاسخ: اگر سال‌ها را روی محور افقی (X) و ارتفاع پرش را برحسب متر روی محور عمودی (Y) قرار دهیم و نقاط را به هم وصل کنیم، نموداری به‌دست می‌آید که صعودی است. این نمودار نشان می‌دهد که با گذشت زمان (از سال ۱۹۲۰ تا ۱۹۹۰)، رکورد پرش ارتفاع به‌طور پیوسته و رو به جلو افزایش یافته است.
تصویر نمودار رسم شده:
ب) در کدام دهه اختلاف ارتفاع بیشتری حاصل شده است؟
پاسخ خلاصه: در دههٔ ۱۹۷۰ تا ۱۹۸۰ (یا بین سال‌های ۱۹۷۰ تا ۱۹۹۰ رشد جهشی زیادی دیده می‌شود).
پاسخ کامل (مشروح): با نگاه به اعداد جدول متوجه می‌شویم که از سال ۱۹۲۰ تا ۱۹۶۰ رکوردها هر ۱۰ سال حدود ۰/۱ تا ۰/۲ متر رشد کرده‌اند؛ اما از سال ۱۹۷۰ (۵/۳ متر) تا ۱۹۸۰ (۵/۷ متر) اختلاف ۰/۴ متری ایجاد شده و بیشترین جهش در رکوردها رخ داده است که دلیل آن تغییر جنس نیزه‌ها به فایبرگلاس پیشرفته‌تر بوده است.
تصور نکنید که در طی این سال‌ها یک جهش ژنتیکی رخ داده است و انسان‌های پرنده به دنیا آمده‌اند! بلکه مهم‌ترین دلیل تغییر رکوردهای پرش ارتفاع، تغییر جنس نیزه‌هایی است که در این رشته از آنها استفاده می‌شود. نیزه‌هایی که در سال‌های اخیر به کار گرفته شده‌اند، معمولاً از جنس «فایبرگلاس» بوده‌اند. فایبر گلاس یک «چند سازه» (کامپوزیت) است. چند سازه‌ها موادی‌اند که از دو یا چند مادۀ مختلف ساخته شده‌اند. فایبر گلاس از ترکیب کردن الیاف شیشه‌ای با پلاستیک تهیه می‌شود و در نتیجه استحکام و انعطاف پذیری اجزای خود را دارد. تا قبل از سال ۱۹۶۰، نیزه‌هایی که در مسابقات پرش ارتفاع از آنها استفاده می‌شد، آلومینیومی بودند. قبل از آن نیز از چوب بامبو برای این منظور استفاده می‌شد. در دهۀ ۱۹۸۰ الیاف کربنی جایگزین الیاف شیشه‌ای شدند و نتایج بهتری را ایجاد کردند.
پ) کدام یک از اجزای فایبر گلاس باعث ایجاد استحکام در آن می‌شوند و کدام جزء عامل انعطاف پذیری آن می‌شود؟
پاسخ: الیاف شیشه‌ای: باعث ایجاد استحکام و مقاومت در برابر نیرو می‌شوند.
پلاستیک: باعث ایجاد انعطاف‌پذیری و کشسانی در ماده می‌شود.
ت) به نظر شما چرا نیزه‌های ساخته شده از فایبر گلاس مناسب‌تر از نیزه‌های آلومینیومی هستند؟
پاسخ خلاصه: چون انعطاف‌پذیری و استحکام بیشتری دارند و نیروی بیشتری را به انرژی پرش تبدیل می‌کنند.
پاسخ کامل (مشروح): نیزه‌های آلومینیومی سنگین‌تر بودند و انعطاف کمتری داشتند؛ اما فایبرگلاس یک «چندبند» یا «چندسازه» (کامپوزیت) است که هم‌زمان هم بسیار محکم است و هم انعطاف‌پذیری فوق‌العاده‌ای دارد. این انعطاف بالا کمک می‌کند ورزشکار هنگام خم کردن نیزه، انرژی بیشتری ذخیره کند و بالاتر بپرد.
ث) دلیل شما برای این که نیزه‌های آلومینیومی بهتر از چوب بامبو عمل می‌کردند، چیست؟
پاسخ: چوب بامبو یک مادهٔ طبیعی بود که هم یکنواخت نبود (ممکن بود در یک قسمت گره یا ضعف داشته باشد) و هم دوام و مقاومت مشخصی نداشت. اما آلومینیوم یک فلز ساختگی با کیفیت یکنواخت، محکم‌تر و قابل اعتمادتر بود که ایمنی و کارایی ورزشکار را در پرش افزایش می‌داد.
ج) تحقیق کنید که چه ویژگی‌هایی از الیاف کربنی، آنها را به مواد مناسبی برای ساخت نیزه تبدیل کرده است.
پاسخ خلاصه: سبک‌وزن بودن، مقاومت بسیار بالا و انعطاف‌پذیری عالی.
پاسخ کامل (مشروح): الیاف کربنی نسبت به وزن خود مقاومت و استحکام شگفت‌انگیزی دارند (بسیار سبک و در عین حال فوق‌العاده محکم هستند). همچنین خاصیت ارتجاعی و انعطاف‌پذیری آنها به ورزشکار اجازه می‌دهد بهترین پرتاب و پرش را بدون شکستن نیزه تجربه کند.
پاسخ متن تکمیلی صفحه ۲۸ فصل چهارم بخش دوم علوم تکمیلی هفتم
ممکن است تا به حال سفر با هواپیما را تجربه کرده باشید. پرواز این پرندۀ فلزی غول‌آسا در ارتفاع بسیار زیادی از سطح زمین تعجب آور است؛ اما باید به این نکته توجه کرد که بخش‌های زیادی از هواپیما توسط فلز آلومینیم تهیه شده‌اند.
دلیل اصلی استفاده از آلومینیم برای این کار چیست؟
پاسخ خلاصه: چگالی کم (سبک بودن) و در عین حال مقاومت بالا در برابر خوردگی و زنگ‌زدگی.
پاسخ کامل (مشروح): اصلی‌ترین علت استفاده از آلومینیوم، چگالی پایین (وزن سبک) آن در مقایسه با سایر فلزات مانند آهن است. این سبک بودن باعث می‌شود هواپیما سوخت کمتری مصرف کند و راحت‌تر از زمین بلند شود. همچنین آلومینیوم در برابر هوا و رطوبت زنگ نمی‌زند و مقاومت نسبی خوبی هم دارد.
دقت داشته باشید که آلومینیم یکی از اجزای اصلی سازندۀ هواپیماست و مواد دیگری هم در این کار نقش دارند.
اگر تمام قسمت‌های یک هواپیما از آلومینیم ساخته شوند، چه مشکلاتی به وجود خواهند آمد؟ برای هر یک از دلایل پاسخ خود مثال بزنید.
پاسخ خلاصه: آلومینیوم خالص استحکام بسیار بالایی در برابر فشارهای شدید ندارد و در دمای بسیار بالا ذوب و نرم می‌شود؛ بنابراین برخی قسمت‌ها نیازمند فلزات محکم‌تر یا مقاوم‌تر به حرارت هستند.
پاسخ کامل (مشروح):
۱. عدم تحمل دمای بسیار بالا (مقاومت حرارتی پایین):
مشکل: آلومینیوم نقطهٔ ذوب پایینی دارد و در برابر حرارت زیاد خلبانان یا داغ شدن موتور به سرعت نرم می‌شود و شکل خود را از دست می‌دهد.
مثال: در بخش موتور هواپیما که دمای بسیار بالایی تولید می‌شود، نمی‌توان از آلومینیوم استفاده کرد؛ بلکه از فلزات مقاوم‌تر مانند تیتانیم یا آلیاژهای فولادی استفاده می‌شود.
۲. کافی نبودن استحکام در نقاط تحت فشار شدید:
مشکل: آلومینیوم خالص نرم‌تر از فلزاتی مثل فولاد است و در برابر ضربه و فشارهای سنگین خم می‌شود یا بشکند.
مثال: در چرخ‌ها و سیستم فرود (ارابه فرود) که هنگام نشستن هواپیما روی باند، ضربه و فشار عظیمی را تحمل می‌کنند، باید از فولادهای آلیاژی فوق‌العاده محکم استفاده شود، نه آلومینیوم تک و خالص.
۳. انعطاف‌پذیری ناکافی در برخی قطعات حساس (نیاز به کامپوزیت‌ها):
مشکل: برخی قسمت‌های هواپیما علاوه بر سبکی نیاز به انعطاف‌پذیری فوق‌العاده و مقاومت خستگی بالا دارند.
مثال: امروزه در لبهٔ بال‌ها و بدنهٔ پیشرفته به جای آلومینیوم خالص، از فیبر کربن و چندسازه‌ها (کامپوزیت‌ها) استفاده می‌شود تا هم سبک‌تر باشد و هم در برابر تکان‌های شدید بال نشکند.
پاسخ آزمایش کنید صفحه ۲۹ فصل ۴ بخش ۴ علوم تکمیلی هفتم
آزمایش حوضچۀ حباب
با استفاده از یک سرنگ، چند ردیف حباب کوچک را داخل ظرفی ایجاد کنید. برای این کار سرنگ باید آهسته و پیوسته فشرده شود تا اندازۀ حباب‌ها یکسان شوند. هرکدام از این حباب‌ها می‌توانند مثالی از اتم‌های موجود در یک قطعه فلز باشند. سعی کنید ظرف به وسیلۀ حباب‌های تولید شده پُر شود.
آیا حباب‌ها به‌صورت مرتب در کنار هم قرار دارند؟
پاسخ خلاصه: بله، حباب‌های هم‌اندازه به دلیل فشار یکسان، در کنار هم به شکل یک شبکه و چیدمان منظم قرار می‌گیرند.
پاسخ کامل (مشروح): بله، وقتی حباب‌ها با اندازه‌های یکسان داخل ظرف ایجاد می‌شوند، به طور طبیعی در کنار هم مرتب می‌شوند. این چیدمان منظم شبیه به نحوهٔ قرار گرفتن اتم‌ها در درون یک فلز خالص (مانند مس یا طلا) است.
اگر یک حباب بترکد، یا حذف شود، مانند این است که یک اتم فلز برداشته شده است.در صورت ترکیدن یک حباب چه اتفاقی رخ می‌دهد؟ آیا لغزیدن ردیف‌های حباب در کنار یکدیگر به راحتی صورت می‌گیرد؟
پاسخ خلاصه: با ترکیدن یک حباب، جای خالی ایجاد شده و تعادل به هم می‌خورد؛ همچنین لغزیدن ردیف‌ها روی یکدیگر به دلیل این بی‌نظمی یا سهولت حرکت، بسیار آسان‌تر انجام می‌شود.
پاسخ کامل (مشروح):
در صورت ترکیدن حباب: یک جای خالی در شبکه ایجاد می‌شود و حباب‌های اطراف به سمت آن کشیده می‌شوند تا فضای خالی را پر کنند. این کار نشان‌دهندهٔ وجود «ناخالصی یا جای خالی (عیب شبکه‌ای)» در ساختار فلز است.
لغزش ردیف‌ها: بله، وجود این فضای خالی یا حرکت حباب‌ها نشان می‌دهد که ردیف‌های حباب می‌توانند به راحتی روی هم بلغزند. در فلزات خالص نیز لایه‌های اتمی به‌راحتی روی هم می‌لغزند و به همین دلیل فلزات نرم و چکش‌خوار هستند (به راحتی خم می‌شوند).
اکنون یک حباب بزرگ‌تر در وسط ظرف ایجاد کنید. این کار مانند اضافه کردن اتمی از یک فلز داخل اتم‌های یک فلز دیگر است. به این ترتیب شما یک آلیاژ حبابی ساخته‌اید!
افزودن حباب بزرگ چگونه باعث از بین رفتن الگوی منظم حباب‌ها خواهد شد؟
پاسخ خلاصه: حضور حباب بزرگ‌تر نظم حباب‌ها را به هم می‌ریزد و مانع از لغزش آسان ردیف‌ها روی یکدیگر می‌شود.
پاسخ کامل (مشروح): وقتی یک حباب بزرگ‌تر در میان حباب‌های کوچک قرار می‌دهید، تناسب اندازه‌ها به هم می‌خورد. حباب بزرگ اجازه نمی‌دهد ردیف‌های حباب‌های کوچک به راحتی در کنار هم بنشینند و روی هم بلغزند.
نتیجه‌گیری علمی (مفهوم آلیاژ): این دقیقاً همان کاری است که با اضافه کردن اتم‌های یک فلز دیگر به فلز خالص (ساخت آلیاژ) انجام می‌دهیم. اتم‌های ناهم‌اندازه مانع لغزش لایه‌های اتمی روی هم می‌شوند و در نتیجه فلز یا آلیاژ حاصل (مثل فولاد) بسیار محکم‌تر و سخت‌تر از فلز خالص می‌شود.
جواب خود را بیازمایید صفحه ۳۱ فصل چهارم بخش دوم علوم تکمیلی هفتم
فهرستی از نام پُرمصرف‌ترین فلزها را همراه با خواص عمومی آنها تهیه کنید:
پاسخ: فهرست فلزها: آهن (Fe)، آلومینیوم (Al)، مس (Cu)، طلا (Au)، نقره (Ag) و روی (Zn).
خواص عمومی فلزها:
رسانایی: همهٔ آنها رسانای بسیار خوب گرما و الکتریسیته هستند.
جلا: سطح صیقلی و براقی دارند.
شکل‌پذیری: خاصیت تورق (تبدیل به ورق) و مفتول شدن (تبدیل به سیم) دارند.
حالت فیزیکی: در دمای اتاق معمولاً جامد و سخت هستند.
آ) نام هر فلزی را که خواص عمومی سایر فلزها را ندارد، بنویسید.
پاسخ: برخلاف سایر فلزها که در دمای اتاق جامد هستند، جیوه در دمای اتاق به صورت مایع است.
ب) کدام‌یک از خواص عمومی در همۀ فلزها وجود دارد؟
پاسخ: رسانایی الکتریکی و گرمایی: اصلی‌ترین ویژگی که در تمامی فلزها مشترک است، توانایی بسیار بالای آنها در انتقال جریان الکتریسیته و گرماست.
جدولی مشابه با جدول زیر را دربارۀ چند آلیاژ تهیه کنید:
| نام آلیاژ | فلزهای موجود در آلیاژ (در صورت امکان درصد هر فلز نیز نوشته شود) | کاربردها |
|---|---|---|
| فولاد (Steel) | آهن + مقدار کمی کربن | ساختمان‌سازی، بدنهٔ خودرو، ابزارآلات |
| مفرغ (برنز) | مس + قلع | مجسمه‌سازی، ساخت مدال، قطعات صنعتی |
| برنج (Brass) | مس + روی | شیرآلات ساختمانی، ساخت سازهای موسیقی |
| فولاد زنگ‌نزا (استیل) | آهن + کروم + نیکل | وسایل آشپزخانه، تجهیزات پزشکی و جراحی |
فرض کنید نمونه‌هایی از آلومینیم، مس و آلیاژی از این دو فلز را در اختیار دارید که به‌صورت میله‌های کوچک فلزی، سیم و شمش هستند:
آ) آلیاژهای آلومینیم و مس چگونه ساخته می‌شوند؟
پاسخ: برای ساخت آلیاژ، ابتدا فلزات مس و آلومینیوم را تا دمای بسیار بالا حرارت می‌دهند تا کاملاً ذوب و مایع شوند. سپس در حالت مذاب، آنها را با نسبت‌های مشخص با هم مخلوط می‌کنند. پس از سرد شدن مخلوط، آلیاژ جامد به دست می‌آید.
ب) پیش بینی شما دربارۀ سختی این مواد چیست؟ توضیح دهید.
پاسخ: آلیاژ (مخلوط مس و آلومینیوم) سخت‌تر از فلزات خالص (مس خالص یا آلومینیوم خالص) است.
توضیح: در فلز خالص، اتم‌ها هم‌اندازه هستند و راحت روی هم می‌لغزند؛ اما در آلیاژ، اتم‌های ناهم‌اندازه در کنار هم قرار می‌گیرند، نظم شبکه را به هم می‌زنند و اجازه نمی‌دهند لایه‌های اتمی به راحتی روی هم حرکت کنند. این یعنی آلیاژ مقاومت بیشتری در برابر تغییر شکل دارد.
پ) آزمایش‌هایی طرح کنید که با انجام آنها بتوان مشخص کرد کدام یک از این سه ماده:
(۱) سخت‌تر است؟
آزمایش: آزمون خراش. سعی کنید با لبهٔ تیزِ یکی از میله‌ها، روی سطح دو میلهٔ دیگر خراش ایجاد کنید. میله‌ای که روی بقیه خراش ایجاد می‌کند و خودش خراش برنمی‌دارد، سخت‌ترین است. (یا استفاده از سوهان فولادی و بررسی عمق خراش).
(۲) بیشترین میزان انبساط را دارد؟
آزمایش: سه میله با طول یکسان را هم‌زمان در یک ظرف آب جوش قرار دهید. پس از چند دقیقه، طول آنها را با یک کولیس دقیق اندازه بگیرید. هر میله‌ای که طولش تغییر بیشتری کرده باشد، ضریب انبساط بیشتری دارد.
(۳) در مقابل خوردگی و فرسایش مقاوم‌تر است؟
آزمایش: نمونه‌های میله را برای مدتی (چند روز) در محلول آب‌نمک یا سرکه قرار دهید. پس از گذشت زمان، میزان تغییر رنگ، زنگ‌زدگی (اکسید شدن) یا تغییر جرم آنها را بررسی کنید. میله‌ای که کمترین تغییر را داشته باشد، مقاوم‌تر است (معمولاً آلومینیوم به دلیل لایه اکسیدی محافظ، مقاومت خوبی دارد).
جواب خود را بیازمایید فعالیت صفحه ۳۲ فصل ۴ بخش ۲ علوم تکمیلی هفتم
به شکل بلورهای یک دانۀ برف توجه کنید:
آ) برف از چه ماده‌ای ساخته شده و ذره‌های سازندۀ آن از چه نوعی (اتم، مولکول) هستند؟
پاسخ خلاصه: برف از آب ساخته شده و ذره‌های سازندۀ آن مولکول (مولکول‌های آب یا ) هستند.
پاسخ کامل (مشروح): برف در واقع همان آبِ یخ‌زده است که در ابرها به صورت بلورهای زیبا درآمده است. از آنجا که هر مولکول آب از اتصال اتم‌های هیدروژن و اکسیژن ساخته شده است، ذره‌های سازندۀ برف از نوع مولکول هستند، نه اتم‌های منفرد.
ب) به نظر شما علت یکسان نبودن شکل بلورهای برف چیست؟
پاسخ خلاصه: : تفاوت در دما، میزان رطوبت هوا و شرایط محیطی در هنگام شکل‌گیری و رشد بلورها.
پاسخ کامل (مشروح همراه با مثال): هنگامی که قطرات آب در آسمان یخ می‌زنند و به شکل بلور برف درمی‌آیند، مسیر متفاوتی را در ابرها طی می‌کنند. دما و رطوبت هوا در نقطه‌های مختلفِ آسمان مدام تغییر می‌کند؛ به همین دلیل، هر بلور برف در شرایط دمایی و رطوبتی منحصربه‌فردی رشد می‌کند و الگوهای شاخه‌بندی متفاوتی می‌سازد. به خاطر همین شرایط متغیر، هیچ دو دانه برفی در دنیا کاملاً شبیه هم نیستند (البته همهٔ آنها بر اساس ساختار مولکولی آب دارای تقارن شش‌گانه هستند).
توجه: شما دانش آموز پایه هفتم متوسطه اول می توانید برای دسترسی سریع و آسان تر به معنی مطالب آموزشی و جواب سوالات درس های کتاب علوم تجربی تکمیلی (ویژه مدارس استعداد درخشان) پایه هفتم متوسطه اول ، در انتهای عنوان خود عبارت «ماگرتا» را نیز در گوگل جستجو کنید.
پاسخ فصل بعدی:
پاسخ فصل قبلی: جواب فصل سوم بخش دوم علوم تکمیلی هفتم
📝 در انتها امیدواریم که مقاله جواب فعالیت ها و تمرین های فصل چهارم بخش دوم کتاب علوم تجربی تکمیلی ویژه استعداد درخشان پایه هفتم متوسطه اول، برای شما دانش آموزان عزیز مفید بوده باشد و توانسته باشید تا از آن استفاده و بهره برده باشید.
