روزانه با مواد زیادی مانند وسایل آهنی، چوبی، پلاستیکی، فلزی و پارچه‌های نخی، ابریشمی و… سروکار داریم. در واقع چهره‌ٔ زندگی ما به نوع موادی که استفاده می‌کنیم، بستگی دارد؛ برای نمونه اختراع آلیاژ فولاد سبب گسترش صنعت خودروسازی و ساختمان‌سازی شد. در این فصل با ویژگی‌های برخی مواد و تأثیر آنها در ساخت وسایل زندگی آشنا می‌شوید.

طبیعت منبع مواد است

در علوم ششم آموختید، برخی از موادی که در زندگی از آنها استفاده می‌کنیم در طبیعت یافت می‌شوند و برخی از آنها را می‌توان مستقیماً از زمین،آب و هوا جدا کرد و به کار برد.
شکل زیر نمونه‌هایی از این مواد را نشان می‌دهد.

ب) طلا به صورت تکه‌ها یا رگه‌های فلزی درخشان در لابه لای برخی از خاک‌ها و سنگ‌ها یافت می‌شود.

الف) گوگرد به صورت بلورهای زرد و کدر در دهانۀ آتشفشان‌های خاموش و نیمه فعال وجود دارد.

ت) نمک خوراکی را می‌توان از آب دریا تهیه کرد.

پ) الماس را می‌توان به صورت بلورهای زیبا و درخشان در کنار سنگ‌های آتشفشانی جست‌وجو کرد.

بیشتر مواد مورد استفاده در زندگی ما، در طبیعت یافت نمی‌شوند؛ بلکه باید آنها را با انجام دادن تغییرهای فیزیکی و شیمیایی در مواد طبیعی به دست آورد؛ برای نمونه: فلزهای آهن، آلومینیم و مس را از سنگ معدن آنها، شیشه را از ماسه، سیمان را از سنگ آهک و پلاستیک را از نفت خام می‌سازند

بیشتر بدانید
اکسیژن، نیتروژن و کربن دی‌اکسید به صورت گازهای بی‌رنگ در هوا یافت می‌شوند

وسیله‌ها و اجسام مختلف از چه موادی ساخته شده‌اند

با دقت به وسیله‌ها و اجسام اطراف خود نگاه کنید. آیا جنس همۀ آنها یکسان است؟ آیا برای ساختن آنها از مواد یکسانی استفاده شده است؟

با کمی بررسی پی می‌برید که وسیله‌های مختلف از مواد گوناگونی ساخته شده‌اند. برخی از آنها فقط از یک نوع ماده و برخی دیگر از چند نوع ماده تشکیل شده‌اند؛ برای مثال سیم مسی فقط از مس، عصای چوبی فقط از چوب و کاغذ از گچ، چوب و نشاسته  … ساخته شده است

فعّالیت (صفحهٔ ۲۷ کتاب درسی)

فهرستی از لوازم و وسایل اطراف خود (حداقل ده مورد) را تهیه و به دلخواه دسته بندی کنید. ملاک دسته‌بندی خودتان را مشخص کنید.
کتاب، میز، لامپ، دوچرخه، جارو برقی، میخ، روزنامه، بطری نوشابه، فاز متر، توپ، حلقه‌ٔ طلا، تخت، حوله، کیسه فریزر، اتومبیل، ملحفه، اسکناس.
چوبی: میز، کمد، تخت
کاغذی: کتاب، روزنامه، اسکناس
فلزی: میخ، دوچرخه، حلقه‌ی طلا
پلاستیکی: توپ، بطری نوشابه، جاروبرقی، کیسه فریزر
پارچه‌ای: حوله، ملحفه
لامپ، اتومبیل و فازمتر وسایلی هستند که در هیچ یک از این دسته‌ها قرار نمی‌گیرند.

دانش‌آموزی فهرستی از وسایل مختلف را تهیه کرده و آنها را بر اساس نوع مواد به کار برده شده در ساختمان آنها به صورت زیر طبقه‌بندی کرده است.

طبقه‌بندی مواد بر اساس جنس آنها

شما نیز فهرستی را که تهیه کرده‌اید به این صورت طبقه‌بندی کنید. آیا در فهرست شما وسایلی هست که در هیچ یک از این دسته‌ها جای نگیرند؟

مواد ویژگی‌های معینی دارند

هر ماده دارای ویژگی‌های مشخص و معینی است؛ برای نمونه، مس فلزی جامد است؛ سطح براق دارد و رسانای جریان برق و رسانای گرما، چکش‌خوار و سخت است. برای بیان ویژگی‌های مواد از عبارت‌ها و واژه‌هایی مانند سخت یا نرم، چکش‌خوار یا شکننده، انعطاف پذیر یا انعطاف ناپذیر، جاذب آب یا ضد آب، شفاف یا کدر، دارای خاصیت آهن‌ربایی یا بدون خاصیت آهن‌ربایی و… استفاده می‌شود

کدام یک سخت‌تر است؟ شیشه یا الماس

وقتی می‌گویند یک ماده از مادۀ دیگر سخت‌تر است، منظور این است که می‌توان به کمک مادۀ سخت روی مادۀ دیگر خراش ایجاد کرد یا آن را برید؛ برای نمونه با استفاده از الماس می‌توان شیشه را برید؛ با ناخن روی صابون و چوب پنبه خراش ایجاد کرد. در نتیجه ناخن از صابون و چوب پنبه سخت‌تر است. یکی دیگر از ویژگی‌های مواد، انعطاف پذیری است.

انعطاف پذیری یک ماده نشان می‌دهد که آن ماده چقدر می‌تواند در اثر وارد کردن نیرو، خم یا کشیده شود و پس از حذف نیرو، دوباره به حالت اول برگردد؛ برای نمونه اگر یک کش لاستیکی را بکشید، طول آن افزایش می‌یابد. حال اگر آن را رها کنید، (نیروی وارد شده را حذف کنید) دوباره به حالت اول خود بر می‌گردد. در این حالت می‌گوییم، کش انعطاف‌پذیر است.

کاربردهای یک ماده به ویژگی‌های آن بستگی دارد؛ برای نمونه، چکش‌خوار بودن فلزها این امکان را به ما می‌دهد تا آنها را به شکل‌های دلخواه در آوریم.

چکش کاری روی فلزها از صنایعی است که از دیرباز در ایران رونق داشته است

چند وسیلهٔ فلزی

فکرکنید (صفحهٔ ۲۸ کتاب درسی)

۱- خواص مورد انتظار برای لیوان شیشه‌ای، میلۀ چوبی، بشقاب سرامیکی، خط‌کش پلاستیکی و قوطی آلومینیمی را پیش‌بینی و جدول زیر را کامل کنید.

نام جسم / خاصیت

شکننده / چکش‌خوار

رسانا / نارسانای الکتریکی

انعطاف پذیر / انعطاف ناپذیر

شفاف / کدر

لیوان شیشه‌ای

شکننده

نارسانای الکتریکی

انعطاف ناپذیر

شفاف

خط‌کش پلاستیکی

شکننده

نارسانای الکتریکی

انعطاف ناپذیر

کدر

قوطی آلومینیمی

چکش خوار

رسانا

انعطاف ناپذیر

کدر

مداد چوبی

شکننده

نارسانای الکتریکی

انعطاف ناپذیر

کدر

بشقاب سرامیکی

شکننده

نارسانای الکتریکی

انعطاف ناپذیر

کدر

تایر اتومبیل

نارسانای الکتریکی

انعطاف ناپذیر

کدر

۲- با بررسی شکل زیر، چکش‌خوار بودن فلزها را با توجه به ساختار اتمی آنها توضیح دهید.

هنگامی که به یک قطعه فلز ضربه وارد می‌شود، شکل آن به آسانی تغییر می‌کند. زیرا اتم‌های فلزی ساختاری لایه‌ای دارند و با وارد شدن ضربه، لایه‌هایی از اتم‌ها روی یکدیگر می‌لغزند و فلز تغییر شکل می‌دهد.

اکنون با آزمایش‌ها و فعّالیت‌های زیر با برخی از ویژگی‌های دیگر مواد آشنا می‌شوید

آزمایش کنید ۱ (صفحهٔ ۲۹ کتاب درسی)

وسایل و مواد: باتری، لامپ ۱/۵ ولتی، چند تکه سیم، لیوان، سکه، خط‌کش پلاستیکی، چوبی و فلزی، قوطی یا پوش برگ (فویل) آلومینیمی، پارچۀ نخی و بشقاب سرامیکی
روش آزمایش
۱- یک مدار الکتریکی ساده بسازید.
۲- رسانایی الکتریکی مواد ذکر شده را بررسی، و نتیجۀ مشاهدات خود را یادداشت کنید.
مواد رسانای الکتریکی: سکه، قوطی یا فویل آلومینیمی، خط‌کش فلزی.
مواد نارسانای الکتریکی: لیوان، خط‌کش پلاستیکی، چوبی، پارچه نخی، بشقاب سرامیکی.

آزمایش کنید ۲ (صفحهٔ ۲۹ کتاب درسی)

وسایل و مواد: چند رشته سیم نازک فلزی، نخی و پلاستیکی، قلاب، پایه و گیره فلزی و چند وزنۀ ۱۰۰ گرمی
روش آزمایش
۱- یک رشته سیم مسی را مطابق شکل به گیره ببندید.
۲- یک وزنۀ ۱۰۰ گرمی را از آن آویزان، و تعداد وزنه‌ها را کم کم اضافه کنید. این عمل را تا آنجا ادامه دهید که رشتۀ سیم پاره شود.
۳- آزمایش را برای رشته سیم‌های دیگر تکرار کنید (قطر رشته سیم‌ها باید یکسان باشد).
۴- نتیجۀ مشاهدات خود را روی نمودار زیر رسم، و نتایج را مقایسه کنید.

نتیجه می‌گیریم که استحکام فلزات بیشتر از سایر مواد است.

بیشتر بدانید
استحکام: مقدار نیرویی که لازم است تا یک ماده در اثر کشیدن، گسسته یا بریده شود. (میزان مقاومتی که یک ماده در برابر پاره شدن از خود نشان می‌دهد.)

آیا می‌دانید
در ساختن چرخ اتومبیل از رشته‌های فولادی استفاده می‌شود.

همان‌طور که مشاهده کردید، معمولاً استحکام فلزها از مواد دیگر بیشتر است. در نتیجه برای ساختن وسایلی که باید استحکام زیادی داشته باشند از فلزها استفاده می‌کنند؛ برای نمونه بدنۀ خودروها، اسکلت‌های ساختمانی، پل‌ها، در و پنجره و وسایل ورزشی را با استفاده از فلز می‌سازند.

در فصل ۲ با چگالی آشنا شدید. چگالی مواد یکی دیگر از ویژگی‌های مهم مواد است. فرض کنید می‌خواهید وسیله‌ای محکم ولی سبک بسازید در این صورت از کدام ماده استفاده می‌کنید؟ با انجام دادن فعّالیت زیر با چگالی مواد بیشتر آشنا می‌شوید.

فعالیت (صفحهٔ ۳۰ کتاب درسی)

جرم یک سانتی‌متر مکعب از چند مادۀ مختلف به صورت زیر است.

۱ سانتی‌متر مکعب از یک نوع چوب تقریباً ۰٫۷ گرم است.
۱ سانتی‌متر مکعب هوا تقریباً ۰٫۰۰۱ گرم است.
۱ میلی‌لیتر (سانتی‌متر مکعب) آب تقریباً ۱ گرم است.

الف) شما نیز با استفاده از ترازو و استوانۀ مدرج، جرم و حجم خمیر بازی، میخ فولادی، سنگ مرمر، توپ پلاستیکی، انگشتر طلا، ورق آلومینیمی و وزنۀ سربی را انداز ه‌گیری، و چگالی آنها را حساب کنید.
ب) چگالی همۀ مواد داده شده را روی نمودار زیر رسم کنید.

پ) آیا چگالی فلزها با هم برابر است؟ خیر
ت) چگالی کدام گروه از مواد نسبت به بقیه بیشتر است؟ فلزات
ث) برداشت خود را از شکل زیر در یک سطر بنویسید.

چگالی چوب پنبه از آب کمتر است و چگالی برنج و جیوه از آب بیشتر است. بنابراین ترتیب چگالی این مواد به صورت زیر است: چگالی جیوه > چگالی برنج > چگالی آب > چگالی چوب پنبه هر چه چگالی ماده‌ای کمتر باشد آن ماده سبک‌تر است. موادی که چگالی آنها از چگالی آب کمتر است روی آب شناور می‌مانند و موادی که چگالی آنها بیشتر از چگالی آب است در آب فرو می‌روند.

 

دیدید که چگالی فلزها با هم برابر نیستند؛ برای نمونه، چگالی طلا خیلی بیشتر از فولاد و چگالی فولاد نیز از آلومینیم بیشتر است. به همین دلیل فلز آلومینیم به یک فلز سبک شهرت دارد و برای ساختن اجسام محکم ولی سبک به کار می‌رود.

قابلیت ورقه‌ای شدن طلا زیاد است

فلز آلومینیم در صنعت هواپیماسازی نقش مهمی دارد.

آیا می‌دانید
در ساختن جلیقه‌های ضد گلوله از پلاستیک‌هایی استفاده شده است که استحکام آنها چند برابر فولاد است.

گفت‌وگو کنید (صفحهٔ ۳۱ کتاب درسی)

چون استحکام فولاد زیاد است، اغلب پل‌ها و اسکله‌های فلزی را از فولاد می‌سازند. چرا استحکام این سازه‌ها با گذشت زمان کاهش می‌یابد؟

آزمایش کنید – کار در کلاس (توپ شیطونک بسازید) (صفحهٔ ۳۱ کتاب درسی)

وسایل و مواد: چسب چوب، بوراکس، آب، رنگ غذا، لیوان، کاسه، استوانۀ مدرج، ترازو
روش آزمایش
۱- در یک لیوان بزرگ ۳۰ میلی‌لیتر آب بریزید و ۳۰ میلی‌لیتر چسب چوب به آن اضافه کنید؛ سپس آن را هم بزنید تا یکنواخت شود.
۲- یک قاشق سوپ خوری از بوراکس و چند قطره رنگ غذا را در ۶۰ میلی‌لیتر آب در یک کاسه حل کنید.
۳- محتویات لیوان را به آرامی درون کاسه اضافه کنید و مرتب هم بزنید.
۴- مادۀ ژله‌ای به دست آمده را با حرکت دست به شکل یک توپ در آورید.
۵- با تغییر شرایط انجام واکنش (تغییر دمای آب) و افزودن مواد دیگر مانند نشاسته، آزمایش را تکرار، و توپ‌های ساخته شده را با هم مقایسه کنید.

افزودن هر یک از مواد زیر در نتیجه حاصل موثر است: بوراکس باعث بالا آمدن توپ می‌شود. چسب باعث می‌شود که اجزای توپ به هم بچسبند و نشاسته باعث می‌شود که توپ به دست یا زمین نچسبد. مقدار هر یک از این مواد بر کیفیت توپ حاصل تاثیر گذار است. در جدول زیر توپ‌هایی با مقادیر مختلفی از مواد اولیه تهیه شده و نتیجه حاصل ارائه شده است.

نتیجه آب چسب نشاسته بوراکس
سفت نشده ۱۰ گرم ۶ گرم ۱ گرم ۲/۵گرم
چسبناک بوده و بعد از مدتی خشک شده ۱۰ گرم ۵ گرم ۱ گرم ۲/۵ گرم
خشک و پودر شده ۱۰ گرم ۵ گرم ۳ گرم ۲۵ گرم
خیلی خوب بوده و تا ۵/۰ متر بالا آمده ۱۰ گرم ۵ گرم ۳ گرم ۴ گرم

در آزمایش اول مقدار چسب زیاد بوده و مواد سفت نشده‌اند. در آزمایش دوم مقدار نشاسته کم بوده و این باعث چسبناک شدن مواد شده است در آزمایش سوم مقدار پودر بوراکس خیلی زیاد بوده و توپ خشک شده است. اما در آزمایش آخر مقدار مصرف مواد مناسب بوده و نتیجهٔ مطلوب حاصل شده است.
نشاسته در آب سرد غیر قابل حل بوده و حالت سوسپانسیون به خود می‌گیرد ولی در آب گرم (حدود ۷۰ درجه سانتی‌گراد) متورم شده و دانه‌های آن می‌ترکد و حالت ژله‌ای و چسبنده پیدا می‌کند.

چه ماده‌ای به کار می‌برید؟

می‌دانید هر وسیله، کاربرد معینی دارد؛ بنابراین هنگام ساختن وسایل، باید به ویژگی مواد سازندهٔ آن توجه کرد. در جدول ۱ چند وسیله، ماده سازنده و علت انتخاب آنها نشان داده شده است. با بررسی جدول، جاهای خالی را کامل کنید.

نام مادۀ سازنده وسیله علت انتخاب
فلز قوطی آلومینیمی
سیم مسی (سیم برق)
حلقهٔ طلا طلا زنگ نمی‌زند
طلا درخشان و زیباست
ظروف آشپزخانه
شیشه شیشهٔ پنجره
عدسی
پلاستیک کلید و پریز
روکش سیم برق

اطلاعات جمع‌آوری کنید (صفحهٔ ۳۲ کتاب درسی)

برای ساخت هریک از وسایل زیر از چه موادی استفاده شده است؟ دلیل انتخاب هر ماده را بنویسید.
الف) دستاک (راکت) تنیس:  چوب و پلاستیک – چوب: چگال کم، پلاستیک: انعطاف پذیر 
ب) قابلمۀ دسته دار:  فلز و پلاستیک – فلز: رسانایی گرمایی خوب، پلاستیک: نارسانای گرما 
پ) کلاه ایمنی:  پلاستیک – چگال کم، عایق
ت) بدنه و در یخچال:  فلز و پلاستیک – فلز: استحکام بالا، پلاستیک: نارسانای گرما
ث) چرخ اتومبیل: پلاستیک و فلز – پلاستیک: انعطاف پذیری، فلز: استحکام 

در ساختن یک وسیله، علاوه بر ویژگی‌های فیزیکی مواد، قیمت و فراوانی آنها نیز در انتخاب آنها اهمیت دارد؛ برای نمونه فلز آهن از سایر فلزها ارزان‌تر است .به همین دلیل این فلز کاربرد بسیار گسترده‌ای در صنایع مختلف دارد.

بیشتر بدانید
گاهی در تهیۀ آلیاژها از نافلزی مانند کربن نیز استفاده می‌شود.

ارگ بم بزرگ ترین ارگ خشتی جهان است.

چگونه موادی با خواص بهتر تولید کنیم؟

انسان‌ها از دیرباز در جست‌وجوی روش‌هایی برای تولید موادی مفید و سودمند در زندگی بوده‌اند؛ مثلاً افزودن مقداری آهک به گل سبب افزایش استحکام آن می‌شود. از این‌رو در ساخت بناهای خشتی از آن استفاده می‌کردند. کربن (زغال) نافلزی سیاه رنگ و نرم است که با کشیدن روی کاغذ یا سنگ به آسانی لایۀ نازکی از آن بر جای می‌ماند. در نتیجه از کربن برای تولید مغز مداد استفاده می‌شود؛ اما نرمی زیاد آن مشکلاتی را در ساخت مداد و نوشتن با آن ایجاد می‌کند. تجربه نشان می‌دهد که افزودن مقداری خاک رس به کربن سبب بیشتر شدن سختی آن می‌شود به طوری که هر چه مقدار خاک رس بیشتر باشد، سختی مغز مداد بیشتر خواهد شد.

خواص فلزها را نیز می‌توان با افزودن یک یا چند مادۀ شیمیایی به آنها تغییر داد. در اثر این عمل، خواص فلزها بهبود پیدا می‌کند، آلیاژها مواد جدیدی‌اند که اغلب از مخلوط کردن دو یا چند فلز به دست می‌آیند. برای این منظور فلزها را ذوب و با هم مخلوط می‌کنند. در اثر این عمل، اتم‌های سازندۀ آلیاژ، لابه لای یکدیگر پخش می‌شوند

مخلوط تکه های دو فلز

آلیاژ

آلیاژها ویژگی‌های جدیدی دارند به طوری که هرگاه مقدار کمی از فلزهای مختلف یا کربن را به فلز آهن اضافه کنیم، انواع فولاد با ویژگی‌های متفاوت به دست می‌آید؛ برای نمونه، افزودن فلزهای کروم و نیکل به آهن سبب تولید مادۀ جدیدی به نام فولاد زنگ نزن می‌شود که بسیار مقاوم و سخت‌تر از آهن است.

استفاده از آلیاژهای مس در ایران قدمت دیرینه دارد.

نام آلیاژ اجزای سازنده خواص کاربرد
فولاد زنگ نزن نیکل، کروم و آهن سخت‌تر از آهن
چدن کربن و آهن سخت‌تراز آهن

 

مواد هوشمند

همان‌طور که آموختید، علوم تجربی به ما کمک می‌کند تا بتوانیم خواص مواد را بهبود بخشیم و از این رهگذر مواد جدیدی تولید کنیم؛ برای نمونه، عینک‌هایی ساخته شده‌اند که اگر به آنها نیرو یا فشاری وارد شود، قاب آنها مچاله می‌شود و تغییر شکل می‌دهد؛ اما جالب است بدانید که پس از حذف نیرو یا فشار دوباره و بدون هیچ کمکی از سوی شما به شکل اولیۀ خود بر می‌گردند.

این نوع مواد به مواد هوشمند معروف‌اند. جست‌وجو برای یافتن مواد هوشمند با کاربردهای مختلف به طور گسترده‌ای در حال اجرا است. به نظر شما با ساختن چنین موادی زندگی ما دچار چه تغییرهایی خواهد شد؟

لوازم دندانپزشکی

قاب عینک

ارسال نظر

error: سایت در برابر کپی برداری محافظت شده است