جواب فصل ۵ علوم هفتم؛ پاسخ درس پنجم از معدن تا خانه – صفحه ۳۷ تا ۴۷

پاسخ بر اساس سه تصویر کتاب:

الف) خودرو:از موادی مانند آهن و فولاد، آلومینیم، مس، شیشه، پلاستیک، لاستیک و مواد گوناگون دیگر ساخته می‌شود.

ب) رایانک (تبلت):در ساخت آن از شیشه، فلزهایی مانند آلومینیم و مس، مواد سیلیسیمی، پلاستیک و مواد مختلف الکترونیکی استفاده می‌شود.

پ) پل ورسک: در ساخت پل از موادی مانند سنگ، سیمان و مصالح ساختمانی و در بخش‌هایی از فلز استفاده شده است.

آیا همه‌ی این مواد به همین شکل در طبیعت یافت می‌شوند؟ خیر. بعضی مواد مستقیماً در طبیعت وجود دارند، اما بسیاری از مواد مورد استفاده‌ی ما باید با انجام تغییرهای فیزیکی و شیمیایی روی مواد طبیعی تولید شوند. برای نمونه آهن را از سنگ معدن و شیشه را از ماسه تهیه می‌کنند.

ویژگی	فلز آهن	سنگ معدن آهن
شکنندگی بر اثر ضربه	شکننده نیست و می‌تواند تغییر شکل دهد.	شکننده است و خرد می‌شود.
خراش بر اثر ساییدن	رفتار آن با سنگ معدن متفاوت است و سطح فلزی دارد.	مانند سنگ و کانی رفتار می‌کند و بر اثر ساییدن ممکن است پودر یا خراش ایجاد شود.
یافت شدن در طبیعت	به صورت خالص به مقدار بسیار کم یافت می‌شود.	در طبیعت و معدن‌ها یافت می‌شود.
رسانایی الکتریکی	رساناست.	مانند فلز آهن رسانایی الکتریکی خوبی ندارد.
واکنش با اکسیژن هوا	با اکسیژن واکنش می‌دهد و اکسید آهن تشکیل می‌شود.	بخش اصلی آن از قبل شامل ترکیب‌های آهن مانند اکسیدهای آهن است.
نقطه ذوب	۱۵۴۰ درجه سلسیوس	برای مگنتیت حدود ۱۵۸۳ تا ۱۵۹۷ درجه سلسیوس

اطلاعات شکل: از حدود ۱۰۰۰ کیلوگرم سنگ معدن تقریباً ۵۰۰ کیلوگرم آهن به دست می‌آید؛ یعنی برای این محاسبه مقدار سنگ معدن تقریباً دو برابر آهن تولیدشده در نظر گرفته می‌شود.

نمونه پاسخ: مقدار واقعی به مساحت، نوع سازه و نقشه‌ی ساختمان بستگی دارد.

اگر برای یک نمونه‌ی ساده، خانه‌ای ۱۲۰ مترمربعی را در نظر بگیریم و به طور تقریبی برای هر مترمربع ۵۰ کیلوگرم آهن مصرف شده باشد:

۱۲۰ × ۵۰ = ۶۰۰۰ کیلوگرم

یعنی در این مثال تقریباً ۶ تن آهن مصرف شده است.

پاسخ بر اساس نمونه‌ی بالا: طبق شکل کتاب، برای تولید ۵۰۰ کیلوگرم آهن حدود ۱۰۰۰ کیلوگرم سنگ معدن لازم است؛ یعنی سنگ معدن مورد نیاز تقریباً دو برابر آهن است.

۶ × ۲ = ۱۲ تن سنگ معدن

پس برای نمونه‌ی بالا تقریباً ۱۲ تن سنگ معدن آهن لازم است.

وسایل و مواد: قاشقک، چند لوله‌ی آزمایش، قطره‌چکان، سدیم هیدروکسید، آهن (III) کلرید و آب مقطر

روش آزمایش:
۱- در یک لوله‌ی آزمایش به اندازه‌ی نوک یک قاشقک آهن (III) کلرید بریزید و تا نیمه‌ی لوله آب مقطر اضافه کنید و هم بزنید.
۲- در لوله‌ی دیگری مقداری سدیم هیدروکسید بریزید و آن را نیز در آب مقطر حل کنید.
۳- با قطره‌چکان چند قطره از محلول سدیم هیدروکسید را به محلول آهن (III) کلرید اضافه کنید.

پاسخ: محلول آهن (III) کلرید زردرنگ است و محلول سدیم هیدروکسید شفاف و بی‌رنگ است. با افزودن محلول سدیم هیدروکسید به محلول آهن (III) کلرید، یک رسوب قهوه‌ای مایل به قرمز تشکیل می‌شود.

پاسخ: در اثر مخلوط شدن دو محلول، ماده‌ای جدید با ویژگی‌های متفاوت تشکیل شده است. تشکیل رسوب نشان می‌دهد یک تغییر شیمیایی رخ داده است. از چنین آزمایش‌هایی می‌توان برای شناسایی بعضی مواد و عنصرهای موجود در نمونه‌ها استفاده کرد.

پاسخ بر اساس چهار تصویر کتاب:
۱- شناسایی معدن و استخراج: ابتدا معدن سنگ آهن شناسایی و سنگ معدن از زمین استخراج می‌شود.

۲- خالص‌سازی سنگ معدن: بخشی از مواد زائد و ناخالصی‌های همراه سنگ معدن جدا می‌شوند.

۳- گرما دادن در کوره: سنگ آهن را همراه کربن و سنگ آهک در کوره‌های مخصوص حرارت می‌دهند. در این فرایند اکسیژن از اکسیدهای آهن جدا می‌شود و فلز آهن مذاب به دست می‌آید.

۴- تولید فراورده‌های آهنی: آهن مذاب را پس از فرایندهای لازم به شکل‌هایی مانند ورق و قطعات مختلف درمی‌آورند.

مراحل آزمایش:
۱- سر پنج چوب کبریت را با آب مرطوب کنید.
۲- ابتدا سر چوب کبریت‌های مرطوب را به سدیم کربنات و سپس به پودر آهن (III) اکسید آغشته کنید.
۳- چوب کبریت‌ها را با گیره روی شعله‌ی آبی چراغ بونزن یا چراغ الکلی بگیرید و پس از سوختن بیش از نیمی از طول آنها خاموش کنید.
۴- پس از حدود ۳۰ ثانیه قسمت‌های سوخته را جدا و پودر کنید و در شیشه‌ی ساعت بریزید.
۵- آهن‌ربا را زیر شیشه‌ی ساعت حرکت دهید.

پاسخ: بخشی از ذره‌های موجود در پودر به حرکت آهن‌ربا واکنش نشان می‌دهند و جذب آن می‌شوند. این مشاهده نشان می‌دهد در جریان آزمایش، از اکسید آهن ذره‌های آهن به وجود آمده‌اند.

پاسخ: آهن خالص برای بسیاری از این کاربردها مناسب نیست؛ زیرا طبق کتاب نسبتاً نرم است و در اثر ضربه خم می‌شود. همچنین آهن در مجاورت هوا و رطوبت می‌تواند دچار خوردگی شود. برای به دست آوردن ماده‌ای با ویژگی‌های مناسب‌تر، آهن را با مواد دیگری ترکیب می‌کنند و آلیاژهای آهن مانند انواع فولاد می‌سازند.

ماده اولیه	علت کاربرد
آهن	فراوانی، قیمت مناسب و امکان ساخت آلیاژهای مستحکم
کروم و نیکل	افزایش سختی و مقاومت آلیاژ آهن در برابر زنگ‌زدگی و خوردگی
نقره	درخشندگی، زیبایی و مقاومت مناسب در برابر خوردگی
چوب یا پلاستیک	سبکی، عایق بودن و مناسب بودن برای ساخت دسته
چسب	اتصال محکم بخش‌های مختلف وسیله به یکدیگر

آلیاژ	مواد اصلی	نمونه کاربرد
فولاد	آهن و مقدار معینی کربن و مواد دیگر	ساختمان، خودرو، ابزار و ماشین‌آلات
فولاد زنگ‌نزن	آهن همراه کروم و معمولاً نیکل	قاشق و چنگال، ظروف و وسایل مقاوم به خوردگی
برنز	مس و قلع	مجسمه، قطعات صنعتی و وسایل تزئینی
برنج	مس و روی	شیرآلات، وسایل تزئینی و بعضی سازهای موسیقی

پاسخ بر اساس تصاویر:
ساختمان‌های خشتی و گلی: معمولاً در برابر رطوبت، سیل و زمین‌لرزه مقاومت کمتری دارند؛ به‌ویژه اگر بدون تقویت مناسب ساخته شده باشند.

ساختمان‌های آجری و بنایی:می‌توانند نسبت به سازه‌های گلی مستحکم‌تر باشند، ولی مقاومت آنها به نوع مصالح، نحوه‌ی اتصال اجزا و شیوه‌ی ساخت بستگی دارد.

ساختمان‌های جدید با بتن و فولاد: اگر اصول مهندسی و استانداردهای ساخت رعایت شود، استفاده‌ی هم‌زمان از بتن و فولاد می‌تواند استحکام ساختمان را در برابر نیروهای واردشده افزایش دهد.

بنابراین فقط نوع ماده مهم نیست؛ طراحی صحیح، کیفیت مصالح و اجرای درست ساختمان نیز در استحکام آن نقش دارند.

وسایل و مواد: مقوا، ماسه، سیمان، تشتک، آب و سیم یا توری فلزی

مراحل آزمایش:
۱- چهار قوطی مقوایی مکعبی‌شکل به ابعاد ۱۰ × ۵ × ۵۰ سانتی‌متر بسازید و شماره‌گذاری کنید.
۲- در تشتک اول پنج لیوان ماسه و یک لیوان سیمان و در تشتک دوم پنج لیوان ماسه و دو لیوان سیمان بریزید و به هرکدام آب کافی اضافه و مخلوط کنید.
۳- قوطی شماره ۱ را با بتن تشتک اول و قوطی شماره ۲ را با بتن تشتک دوم پر کنید و یک هفته برای خشک شدن آنها صبر کنید.
۴- در قوطی‌های شماره ۳ و ۴ ابتدا دو سیم یا توری فلزی با قطر یکسان قرار دهید و سپس آنها را با دو نوع بتن پر کنید.
۵- پس از یک هفته با طراحی یک آزمایش، استحکام چهار قطعه‌ی بتنی را بررسی و مقایسه کنید.

روش پیشنهادی بررسی استحکام: قطعه‌ها را به طور یکسان روی دو تکیه‌گاه قرار دهید و به‌آرامی و مرحله‌به‌مرحله وزنه‌ی یکسانی روی وسط آنها اضافه کنید. مقدار وزنه‌ای را که هر قطعه پیش از ترک خوردن یا شکستن تحمل می‌کند، ثبت کنید.

نتیجه‌ی مورد انتظار: بتنی که سیمان بیشتری دارد معمولاً از نمونه‌ی دارای سیمان کمتر استحکام بیشتری نشان می‌دهد. همچنین قطعه‌هایی که در آنها سیم یا توری فلزی قرار داده شده است، در برابر بعضی نیروها مقاوم‌ترند.

در این نمونه‌ها معمولاً قوطی شماره ۴ بیشترین و قوطی شماره ۱ کمترین استحکام را نشان می‌دهد.

توجه کتاب: قطعه‌های بتنی را هر روز با ریختن آب خیس کنید.

پاسخ: بتن در ساخت سدها، تونل‌ها، مخازن و برج‌های آب، ساختمان‌ها، پل‌ها، دیوارها، پی ساختمان، جاده‌ها و بسیاری از سازه‌های عمرانی استفاده می‌شود.

پاسخ: با اضافه کردن آب، مخلوطی سفیدرنگ تشکیل می‌شود و در صورت استفاده از آهک مناسب برای این آزمایش، ممکن است گرما نیز آزاد شود.

کاغذ پی‌اچ نشان می‌دهد مخلوط آب آهک خاصیت بازی دارد و اسیدی نیست. بنابراین مقدار پی‌اچ آن بیشتر از ۷ است.

سال	۱۳۸۳	۱۳۸۹	۱۳۹۲	۱۳۹۴	۱۳۹۶	۱۳۹۸	۱۴۰۰
تولید سیمان	۳۳۰۰۰	۶۱۰۰۰	۶۸۰۰۰	۵۸۰۰۰	۷۰۰۰۰	حدود ۶۰۴۰۰	حدود ۶۲۷۰۰
مصرف سیمان	۳۱۰۰۰	۵۰۰۰۰	۵۶۰۰۰	۴۹۰۰۰	۵۸۰۰۰	حدود ۵۳۱۰۰	حدود ۵۸۴۰۰

توجه: اعداد سال‌های ۱۳۸۳ تا ۱۳۹۶ در خود کتاب آمده‌اند. دو ستون ۱۳۹۸ و ۱۴۰۰ در کتاب برای جست‌وجو در منابع معتبر خالی گذاشته شده‌اند؛ اعداد نوشته‌شده برای این دو سال، نمونه‌ی تکمیل‌شده بر پایه‌ی آمار گزارش‌شده از تولید و فروش داخلی سیمان و به صورت تقریبی هستند.

پاسخ: جدول بالا با نمونه‌ی داده‌های سال‌های ۱۳۹۸ و ۱۴۰۰ تکمیل شده است.

پاسخ: در سال‌هایی که مقدار تولید بیشتر از مصرف داخلی باشد، امکان صادرات مازاد تولید وجود دارد. با توجه به داده‌های جدول بالا، در همه‌ی سال‌های نشان‌داده‌شده مقدار تولید از مصرف داخلی بیشتر است؛ بنابراین در این سال‌ها ایران می‌تواند بخشی از تولید خود را صادر کرده باشد.

جنبه	مزایا	معایب احتمالی
اقتصادی	تأمین مواد اولیه، ایجاد درآمد و رونق فعالیت‌های اقتصادی منطقه	وابستگی اقتصاد منطقه به معدن و هزینه‌های ناشی از تخریب محیط
اجتماعی	ایجاد شغل و رونق کسب‌وکارهای محلی	افزایش رفت‌وآمد خودروهای سنگین، سروصدا و احتمال ایجاد خطر برای اهالی
زیست‌محیطی	بهره‌برداری برنامه‌ریزی‌شده از منابع مورد نیاز جامعه	تخریب زیستگاه‌ها، گردوغبار، آلودگی صوتی، تغییر چشم‌انداز طبیعی و آسیب احتمالی به آب و خاک

نمونه پاسخ: ماده‌ی اصلی بسیاری از ظرف‌های سفالی خاک رس است. خاک رس را با آب مخلوط می‌کنند تا گل کوزه‌گری تهیه شود. سپس گل را با دست، چرخ سفالگری یا قالب به شکل موردنظر درمی‌آورند و پس از خشک شدن در کوره می‌پزند.

مراحل اصلی مطابق کتاب:
خاک رس و آب ← تهیه‌ی گل کوزه‌گری ← شکل دادن به خمیر ← پختن و لعاب دادن

برای رنگ‌آمیزی و لعاب بعضی ظرف‌های سفالی از ترکیب‌های فلزی استفاده می‌شود. برای مثال کتاب اشاره می‌کند افزودن اکسید کروم به لعاب می‌تواند رنگ سبز ایجاد کند.

ظروف چینی نیز از مواد معدنی مناسب ساخته، شکل داده، خشک، پخته و در صورت نیاز لعاب‌کاری و دوباره پخته می‌شوند. ظروف سفالی و چینی از نظر رنگ، طرح، ضخامت، استحکام و نوع لعاب تنوع زیادی دارند.

پاسخ: برای تهیه‌ی شیشه، ماسه را همراه مواد شیمیایی مناسب گرم می‌کنند تا خمیر شیشه به دست آید. سپس خمیر نرم و داغ شیشه را با قالب یا روش‌های دیگر به شکل موردنظر درمی‌آورند و پس از سرد شدن، شیشه‌ی جامد تولید می‌شود.

پاسخ: شیشه در حالت معمول جامد و شکننده است، اما وقتی در دمای بالا قرار می‌گیرد نرم و خمیری می‌شود. شیشه‌گر می‌تواند خمیر شیشه‌ی داغ را با ابزارهای مخصوص بچرخاند، بکشد، در قالب قرار دهد یا با دمیدن هوا در آن شکل دهد. سپس با سرد شدن، شیشه شکل جدید خود را حفظ می‌کند.

ماده	زمان تقریبی نشان‌داده‌شده در نمودار
کروم	حدود ۳۵۸ سال
آهن	حدود ۳۰۲ سال
مس	حدود ۷۴ سال
سرب	حدود ۴۹ سال
قلع	حدود ۴۰ سال
روی	حدود ۳۸ سال
طلا	حدود ۲۷ سال

نتیجه‌ی گفت‌وگو:براساس نمودار، اگر روند مصرف منابع بدون تغییر ادامه پیدا کند، ذخایر شناخته‌شده‌ی بعضی مواد بسیار زودتر از بقیه کاهش پیدا می‌کنند. در نمودار، طلا کمترین زمان و کروم بیشترین زمان پیش‌بینی‌شده را دارد.

این اعداد پیش‌بینی هستند و ثابت و قطعی نیستند؛ زیرا کشف ذخایر جدید، تغییر میزان مصرف، بازیافت و فناوری‌های جدید می‌توانند بر مدت باقی‌ماندن منابع اثر بگذارند.

پاسخ بر اساس تصویر کتاب: نمودار روش بازیافت را نشان می‌دهد.

در تصویر، وسیله‌ی آهنی پس از پایان عمر مصرفی دور ریخته نمی‌شود؛ بلکه جمع‌آوری، ذوب و دوباره به ماده‌ی قابل استفاده تبدیل می‌شود و از آن وسیله‌ی جدید می‌سازند. به این ترتیب نیاز به استخراج سنگ آهن جدید کاهش می‌یابد و منابع طبیعی مدت بیشتری حفظ می‌شوند.

پاسخ: مصرف دوباره؛ زیرا همان ظرف بدون تبدیل شدن به ماده‌ی جدید دوباره مورد استفاده قرار می‌گیرد.

پاسخ: کاهش مصرف؛ زیرا مصرف کیسه‌های یک‌بارمصرف را کاهش می‌دهیم.

پاسخ: بازیافت؛ زیرا ماده‌ی وسیله‌ی قدیمی دوباره فرآوری می‌شود و برای ساخت محصول جدید مورد استفاده قرار می‌گیرد.

نکته‌ی مهم فصل: استخراج مواد از معدن برای زندگی و تولید بسیاری از کالاها ضروری است، اما منابع طبیعی محدودند. بنابراین باید هنگام بهره‌برداری از آنها به پیامدهای اجتماعی، اقتصادی و زیست‌محیطی توجه کنیم و با کاهش مصرف، مصرف دوباره و بازیافت، میزان برداشت از منابع را کاهش دهیم.

جمع‌بندی کوتاه فصل پنجم علوم هفتم: بسیاری از مواد مورد نیاز انسان از معدن‌ها به دست می‌آیند. آهن در طبیعت بیشتر به صورت ترکیب‌های آهن و به‌ویژه اکسیدهای آهن یافت می‌شود و برای تولید فلز آهن باید اکسیژن از این ترکیب‌ها جدا شود. با ترکیب فلزها می‌توان آلیاژهایی با ویژگی‌های مناسب‌تر ساخت. بتن، سفال و شیشه نیز از مواد طبیعی اولیه تولید می‌شوند. استخراج و مصرف منابع طبیعی در کنار فواید اقتصادی و اجتماعی می‌تواند پیامدهای زیست‌محیطی داشته باشد؛ به همین دلیل حفاظت از منابع و استفاده‌ی مسئولانه از آنها اهمیت زیادی دارد.