البحث العلمي

1-4 البحث العلمي

Scientific Research

الفكرة الرئيسة:
يفضي البحث العلمي غالبًا إلى تطوير تقنيات يمكن أن تحسن حياتنا والعالم من حولنا.

الربط مع الحياة

كثير من المعلومات التي حصل عليها العلماء من خلال البحث النظري تستعمل لحل مشكلة، أو تلبي حاجة محددة. فقد اكتشفت الأشعة السينية X-rays مثلًا عندما كان العلماء يجرون بحثًا نظريًا أساسيًا على أنابيب التفريغ الكهربائي، ثم اكتشفوا أن هذه الأشعة يمكن أن تستعمل في التشخيص الطبي.

أنواع الدراسات والأبحاث العلمية

Types of Scientific Investigations

يطّلع الناس كل يوم - من خلال وسائل الإعلام، ومنها التلفزيون والصحف والمجلات والإنترنت - على نتائج الأبحاث العلمية، التي يتعلق كثير منها بالبيئة أو الدواء أو الصحة. كيف يستعمل العلماء البيانات الكمية والنوعية حالياً للإجابة عن المشكلات العلمية؟

يجري العلماء بحوثًا نظرية للحصول على المعرفة من أجل المعرفة نفسها. فقد كان مولينا ورولاند مدفوعين بحب الاستطلاع، فقاما بإجراء بحوث نظرية على CFCs وتفاعلاتها مع غاز الأوزون، ولم يكن هناك أي دليل بيّن في ذلك الوقت على وجود علاقة بين نموذجهما وطبقة الستراتوسفير. وقد بين بحثهما أن مركبات CFCs يمكن أن تسرّع تفكك غاز الأوزون تحت ظروف معينة في المختبر.

وبمرور الوقت أشير إلى وجود ثقب في طبقة الأوزون عام 1985م، وأجرى العلماء قياسات عن كميات CFCs في الستراتوسفير دعمت فرضية احتمال مسؤولية CFCs عن تفكك غاز الأوزون. وهكذا تحول البحث النظري الذي أجري من أجل المعرفة إلى بحث تطبيقي.

والبحث التطبيقي بحث يجري لحل مشكلة محددة. فإذا أراد العلماء مراقبة كميات CFCs في الجو والتغيرات السنوية في كمية غاز الأوزون في الستراتوسفير، انظر الشكل 1-15، كما تجري أبحاث تطبيقية من أجل الحصول على بدائل لمركبات CFCs التي أصبحت ممنوعة.

الأهداف

• تقارن بين البحث النظري، والبحث التطبيقي، والتقنية.
• تطبق تعليمات السلامة في المختبر.

مراجعة المفردات

اصطناعي: شيء من صنع الإنسان وقد لا يوجد في الطبيعة.

المفردات الجديدة

• البحث النظري.
• البحث التطبيقي.

صور الصفحة:

[01_الشكل_1-15_جهاز_مقياس_الأشعة_فوق_البنفسجية_وثقب_الأوزون.png](sandbox:/mnt/data/صور_درس_البحث_العلمي/01_الشكل_1-15_جهاز_مقياس_الأشعة_فوق_البنفسجية_وثقب_الأوزون.png)

الشكل 1-15:
جهاز مقياس الأشعة فوق البنفسجية المرئية يستعمل لقياس كمية غاز الأوزون والغازات الأخرى الموجودة في الستراتوسفير في أثناء أشهر الشتاء المعتمة في القارة المتجمدة الجنوبية.

---

#

#

الشكل 1-16:
تستعمل خيوط النايلون في كثير من المنتجات، وكان قبل الحرب العالمية الثانية يستعمل في الأغراض العسكرية.

• خيوط النايلون يمكن سحبها من سطح المحلول.
• تستعمل ألياف النايلون في صناعة أشرطة التثبيت.

اكتشافات غير مقصودة

تشهد الصناعة حقبة لم نعهدها من قبل. فمن الممكن أن تساهم المواد وأساليب التصنيع المبتكرة في فتح آفاق جديدة مستقبلاً؛ وليس هناك مكان أفضل من مشروع نيوم NEOM، والذي يعد بيئة ابتكار؛ حيث العقول أو الأفكار من تجسيد الأفكار الرائدة في عالم يصنعه الخيال.

وسوف يوفر مشروع نيوم NEOM بيئة مثالية للعلماء، فكثيرًا ما يجري العلماء تجاربهم، ثم يتوصلوا إلى نتائج مختلفة عما كانوا يتوقعون. وهناك الكثير من الاكتشافات العلمية التي لم تكن متوقعة. ولعلك تعرف المثالين الآتيين من هذه الاكتشافات.

الربط مع الحياة

يعد ألكسندر فلمنج من المشهورين في القيام باكتشافات غير متوقعة. وفي بعض هذه الاكتشافات وجد فلمنج أن أحد الأطباق المحتوية على بكتيريا ستافيلوكوكس تلوث بعفن أخضر، غير أنه لم يعامل هذا الطبق مع أي مواد، ولاحظ وجود منطقة خالية حوله ماتت فيها البكتيريا. في هذه الحالة علم أن مادة كيميائية من العفن، وهي البنسلين، سببت قتل البكتيريا.

ويعد اكتشاف النايلون مثالًا آخر على الاكتشاف غير المقصود. ففي عام 1931م قام موظف يدعى جوليان هيل بسحب قضيب زجاجي ساخن في مخلوط من المحاليل، وبشكل غير متوقع سحب أليافًا طويلة كتلك المبينة في الشكل 1-16. نال هذا الاكتشاف تطوير هذه الألياف إلى حرير اصطناعي يتحمل درجات الحرارة العالية، حتى تم تطوير النايلون في عام 1934م. وخلال الحرب العالمية الثانية كان النايلون يستعمل بديلًا للحرير في المظلات. أما اليوم فيستعمل بكثرة في صناعة الأنسجة وبعض أنواع البلاستيك وأشرطة التثبيت، كما في الشكل 1-16.

الطلاب في المختبر

Students in the Laboratory

سوف تتعلم حقائق كثيرة عن المواد في أثناء دراستك للكيمياء، كما ستقوم بإجراء بحوث وتجارب تستطيع من خلالها وضع فرضيات واختبارها، وجمع البيانات وتحليلها، واستخلاص النتائج. عندما تعمل في مختبر الكيمياء تكون مسؤولًا عن سلامتك وسلامة من يعملون معك؛ ففي المختبر قد يعمل عدة أشخاص معًا في مكان صغير، لذا يكون من المهم أن يمارس كل منهم أساليب عمل آمنة. ويضم الجدول 1-2 قائمة بتعليمات السلامة التي يجب اتباعها في كل مرة تدخل فيها إلى المختبر، وهي تعليمات يستعملها الكيميائيون وغيرهم من العلماء.

صور الصفحة:

[02_الشكل_1-16_اكتشاف_النايلون_وخيوط_البوليمر_واستعمالاته.png](sandbox:/mnt/data/صور_درس_البحث_العلمي/02_الشكل_1-16_اكتشاف_النايلون_وخيوط_البوليمر_واستعمالاته.png)

---

#

#

الجدول 1-2

السلامة في المختبر

• ادرس التجربة العلمية المختبرية المحددة لك قبل أن تأتي إلى المختبر، وإذا كان لديك أسئلة فاطلب مساعدة المعلم.

• لا تجر التجارب دون إذن معلمك، ولا تعمل بمفردك أبدًا. تعلم كيف تطلب المساعدة عند الضرورة.

• تفهم رموز السلامة. اقرأ جميع علامات التحذير وتقيد بها.

• البس النظارة الواقية ومعطف المختبر أثناء العمل، والبس قفازات عندما تستعمل المواد الكيميائية التي تسبب التهيج أو يمكن امتصاصها بالجلد، أو المواد التي لها نافذ.

• لا تلبس عدسات لاصقة في المختبر، حتى تحت النظارات؛ لأنها قد تمتص الأبخرة، وقد يصعب إزالتها.

• تجنب لبس الملابس الفضفاضة أو الأشياء المتدلية مثل الميداليات والأحزمة الفضفاضة أو أساور القدم.

• لا تدخل الطعام والشراب إلى المختبر، ولا تأكل في المختبر أبدًا.

• اعرف مكان وكيفية استعمال طفاية الحريق والماء، وبطانية الحريق، والإسعافات الأولية، وقواطع الغاز والكهرباء.

• نظف الأشياء التي تسكب على الأرض والممرات والأدوات، وأخبر معلمك عن أي حادث أو جرح أو إجراء عملي خاطئ أو عطل في الأدوات.

• إذا لامست مادة كيميائية عينك أو جلدك فاغسلها بكميات كبيرة من الماء، وأخبر معلمك عن طبيعة المادة.

• تعامل مع المواد الكيميائية بحرص، وافحص بطاقات عبوات المواد قبل استعمالها في التجربة. اقرأ البطاقة ثلاث مرات قبل استعمالها، وفي أثناء وبعد إرجاعها إلى مكانها الأصلي.

• لا تأخذ العبوات إلى مكان عملك ما لم يطلب إليك ذلك. استعمل أنابيب اختبار أو أوراقًا أو قوارير للحصول على المواد الكيميائية. خذ كميات قليلة؛ لأن الحصول على كمية إضافية لا شك أسهل من التخلص من الفائض.

• لا تعد المواد الكيميائية غير المستعملة إلى العبوة الأصلية.

• لا تدخل القطارة في عبوات المواد الكيميائية، بل اسكب قليلًا من المادة الكيميائية في كأس، ثم استعمل القطارة.

• لا تتذوق أبدًا أي مادة كيميائية أو تسحبها بفمك، بل بالماصة.

• احفظ المواد القابلة للاشتعال بعيدة عن اللهب.

• لا تستعمل المواد السامة والقابلة للاشتعال إلا تحت إشراف معلمك. استعمل خزانة طرد الغازات عند استعمال هذه المواد.

• عند تسخين مادة في أنبوب اختبار لا توجه فوهة الأنبوب إلى جسمك أو إلى شخص آخر، ولا تنظر أبدًا في فوهة الأنبوب.

• لا تسخن المخابير المدرجة أو السحاحات أو الماصات باستعمال لهب بنزن.

• توخ الحذر عند الإمساك بأجهزة ساخنة أو زجاج ساخن؛ فالزجاج الساخن لا يختلف في مظهره عن الزجاج البارد.

• تخلص من الزجاج المكسور، والمواد الكيميائية غير المستعملة، ونواتج التفاعلات كما يطلب المعلم.

• اعرف الطريقة الصحيحة لتحضير محاليل الأحماض. أضف الحمض دائمًا إلى الماء ببطء.

• أبق منطقة الميزان نظيفة دائمًا، ولا تضع المواد الكيميائية على كفة الميزان مباشرة.

• بعد الانتهاء من التجربة نظف الأدوات واحفظها، ونظف مكان العمل، وتأكد من إطفاء الغاز وإغلاق مصدر الماء. اغسل يديك بالماء والصابون قبل أن تغادر المختبر.

صور الصفحة:

[03_الجدول_1-2_السلامة_في_المختبر_وتعليمات_الطلاب.png](sandbox:/mnt/data/صور_درس_البحث_العلمي/03_الجدول_1-2_السلامة_في_المختبر_وتعليمات_الطلاب.png)

---

#

#

الشكل 1-17:
هذا الرسم البياني يبين تركيز اثنين من مركبات CFCs في الجو فوق القارة المتجمدة الجنوبية، والاستهلاك العالمي لمركبات CFCs من 1980-2000م.

وتستمر القصة

The Story Continues

لنعد الآن إلى المادتين اللتين سبق الحديث عنهما. لقد حدث الكثير منذ أن وضع مولينا ورولاند فرضيتهما في سبعينيات القرن الماضي عن دور مركبات CFCs في تفكك الأوزون الجوي. ومن خلال البحوث التطبيقية وجد العلماء أن مركبات CFCs ليست وحدها التي تتفاعل مع غاز الأوزون، وإنما هناك بعض المواد الأخرى التي تتفاعل معه أيضًا. فرابع كلوريد الكربون CCl4، ومثيل الكلوروفورم C2H3ClO2، وبعض المواد التي تحتوي على البروم كلها تفكك غاز الأوزون.

ميثاق مونتريال

لأن تناقص الأوزون أصبح موضع اهتمام العالم، فقد اتخذت دول كثيرة هذه المشكلة. وقد اجتمع قادة الغالبية وزعماء من عدة دول في مونتريال بكندا عام 1987م، وكان من بينهم المملكة العربية السعودية، وتوصلوا إلى ميثاق مونتريال الدولي، الذي يقضي بموافقة الدول التي وقعت هذه الاتفاقية على إنهاء استعمال هذه المركبات، ووضع قيود على كيفية استعمالها. كما شاركت ووافقت على النظام الموحد بشأن المواد المستنفدة لطبقة الأوزون لدول مجلس التعاون لدول الخليج العربية المعدل عام 2012م، والذي أحد أهدافه التخلص التام من استهلاك المواد المستنفدة لطبقة الأوزون وإحلال البدائل الآمنة؛ ومراعاة وضع المعايير الوطنية لدول الخليج.

وقد أثر تنفيذ ميثاق مونتريال، وكما ترى في الشكل 1-17 فإن الاستهلاك العالمي لمركبات CFCs بدأ يتراجع بعد ميثاق مونتريال. وعلى أي حال فإن الشكل يبين أن كمية CFCs فوق القارة المتجمدة الجنوبية لم تتقلص مباشرة.

الرابط مع رؤية 2030

الارتقاء بمؤشر جاهزية الأعمال مثل التقنيات المتنوعة والذكاء الاصطناعي والحوسبة والتقنيات الأخرى.

المطويات

ضمن مطويتك معلومات من هذا القسم.

اختبار الرسم البياني

حدد متى بدأت كمية مركبات CFCs تستقر تقريبًا بعد توقيع ميثاق مونتريال؟

صور الصفحة:

[04_الشكل_1-17_الرسم_البياني_استهلاك_CFCs_وثقب_الأوزون.png](sandbox:/mnt/data/صور_درس_البحث_العلمي/04_الشكل_1-17_الرسم_البياني_استهلاك_CFCs_وثقب_الأوزون.png)

[05_الرابط_مع_رؤية_2030_التقنيات_الصناعية_في_النفط_والغاز.png](sandbox:/mnt/data/صور_درس_البحث_العلمي/05_الرابط_مع_رؤية_2030_التقنيات_الصناعية_في_النفط_والغاز.png)

---

#

#

ثقب الأوزون حاليًا

عرف العلماء أيضًا أن ثقب الأوزون يتكون سنويًا فوق القارة المتجمدة الجنوبية في فصل الربيع. وتتكون غيوم جليدية في طبقة الستراتوسفير فوق هذه القارة عندما تنخفض درجات الحرارة هناك إلى -78 °C، وهذه الغيوم تحدث تغيرات تساعد على إنتاج كلور وبروم نشطين كيميائيًا. وعندما تبدأ درجة الحرارة بالارتفاع في الربيع تبدأ هذه العناصر النشطة في التفاعل مع غاز الأوزون مسببة تناقصه، الأمر الذي يؤدي إلى حدوث ثقب في الأوزون فوق القارة المتجمدة الجنوبية. كما يحدث تناقص لغاز الأوزون فوق القطب الشمالي، لكن درجة الحرارة لا تبقى منخفضة مدة كافية هناك، مما يعني تناقصًا أقل في غاز الأوزون عند القطب الشمالي.

ماذا قرأت؟

بين العوامل التي تسبب تكون ثقب الأوزون فوق القارة القطبية الجنوبية.

يبين الشكل 1-18 ثقب الأوزون فوق القارة المتجمدة الجنوبية في سبتمبر من عام 2005م. وقد بلغ سمك طبقة الأوزون حده الأدنى في ذلك الشهر من السنة. وإذا قارنت بين الألوان في الصورة ومفتاح اللون فستدرك أن مستوى غاز الأوزون يقع بين 100DU و 200DU. لاحظ أن مستوى غاز الأوزون في معظم المنطقة المحيطة بثقب الأوزون حوالي 300DU، وهو مستوى طبيعي.

الشكل 1-18:
وصل سمك طبقة الأوزون فوق القارة المتجمدة الجنوبية إلى أقل سمك له في سبتمبر 2005م. يبين مفتاح الألوان أدناه ما يمثله كل لون في هذه الصورة المأخوذة بالقمر الاصطناعي.

قراءة خريطة

كيف تختلف مستويات غاز الأوزون هذه عن المستوى الطبيعي له؟

صور الصفحة:

[06_الشكل_1-18_ثقب_الأوزون_حاليا_ومستويات_الأوزون_فوق_القارة_القطبية.png](sandbox:/mnt/data/صور_درس_البحث_العلمي/06_الشكل_1-18_ثقب_الأوزون_حاليا_ومستويات_الأوزون_فوق_القارة_القطبية.png)

---

#

#

ومن الجدير بالذكر أن العلماء لا يزالون غير متأكدين من تحديد الوقت الذي تعود فيه طبقة الأوزون إلى ما كانت عليه. فقد توقعوا أنها سوف تعود إلى وضعها عام 2050م، إلا أن النماذج الحاسوبية الحديثة تتوقع أنها لن تبدأ في استعادة وضعها قبل عام 2068م، على أن تحديد موعد دقيق لذلك ليس مهمًا، باستمرار الجهود الدولية للحد من مشكلة تآكل طبقة الأوزون.

فوائد الكيمياء

The Benefits of Chemistry

يعد الكيميائيون جزءًا من العلماء الذين يحلون الكثير من المشكلات أو القضايا التي تواجهنا هذه الأيام. وهم لا يشاركون فقط في حل مشكلة تآكل الأوزون، بل إنهم يشاركون في التوصل إلى اكتشاف بعض الأدوية ولقاحات الأمراض، ومنها الإنفلونزا وأنفلونزا الخنازير، وغالبًا ما يرتبط الكيميائي مع كل موقف يمكن أن تتخيله؛ لأن كل شيء في الكون مكون من مادة.

تجربة عملية

الاستعمال الفعال لموقد بنزن
ارجع إلى دليل التجارب العملية على منصة عين الإثرائية.

مختبر تحليل البيانات

فسر الرسوم البيانية

كيف تختلف مستويات غاز الأوزون في أثناء السنة في القارة المتجمدة الجنوبية؟

تستمر بعض مراكز الأبحاث في مراقبة تركيز غاز الأوزون في طبقة الستراتوسفير فوق القارة المتجمدة الجنوبية.

البيانات والملاحظات

يبين الرسم البياني عرض بيانات جمعها أحد مراكز الأبحاث فوق القارة المتجمدة الجنوبية عامي 2004 و 2005م. الخط الأغمق يمثل بيانات 2005م.

التفكير الناقد

• صف نمط تغير الكمية الكلية لغاز الأوزون ودرجة الحرارة على ارتفاع 20-24 km عن سطح الأرض.

• قَوِّم كيف تختلف بيانات عام 2004م عن بيانات عام 2005م؟

• حدد الشهر الذي كانت كمية الأوزون فيه أقل ما يمكن.

• قوّم هل تؤيد هذه البيانات ما درسته سابقًا في هذا الفصل عن تفكك غاز الأوزون؟ فسر إجابتك.

صور الصفحة:

[07_تجربة_عملية_الاستعمال_الفعال_لموقد_بنزن.png](sandbox:/mnt/data/صور_درس_البحث_العلمي/07_تجربة_عملية_الاستعمال_الفعال_لموقد_بنزن.png)

[08_مختبر_تحليل_البيانات_تفسير_الرسوم_البيانية_مستويات_غاز_الأوزون.png](sandbox:/mnt/data/صور_درس_البحث_العلمي/08_مختبر_تحليل_البيانات_تفسير_الرسوم_البيانية_مستويات_غاز_الأوزون.png)

---

#

#

الشكل 1-19:
هذه السيارة التي تعمل بالهواء المضغوط، وهذه الغواصة الصغيرة التي يبلغ طولها 4 mm فقط مثالان على التقنية التي نتجت عن دراسة المادة.

يبين الشكل 1-19 بعض التطورات التقنية الممكنة نتيجة دراسة المادة. فالسيارة الموجودة عن اليمين تعمل بالهواء المضغوط، وعندما يسمح هذا الهواء بالتمدد فإنه يدفع المكابس التي تحرك السيارة، ولا يؤدي استعمال الهواء المضغوط في تشغيل السيارات إلى تسرب ملوثات إلى الجو. أما الصورة عن اليسار فهي لغواصة صغيرة دخل في صناعتها الليزر والحاسوب. هذه الغواصة التي لا يتجاوز طولها 4 mm، ويمكن أن تستعمل في اكتشاف الأمراض والتشوهات في الجسم البشري وإصلاحها.

التقويم 1-4

الخلاصة

• الطرق العلمية يمكن أن تستعمل في البحوث النظرية والتطبيقية.
• بعض الاكتشافات العلمية تتم دون قصد، وبعضها الآخر نتيجة البحث الجاد لتلبية حاجة ما.
• السلامة في المختبر مسؤولية كل فرد يعمل فيه.
• كثير من وسائل الراحة التي تستمتع بها اليوم نتاج تطبيقات الكيمياء.

الأسئلة

• الفكرة الرئيسة: سم ثلاثة منتجات تقنية حسنت من حياتنا أو العالم من حولنا.

• قارن بين البحث النظري والبحث التطبيقي.

• صنف التقنية، هل هي ناتجة عن البحوث النظرية أو التطبيقية؟ اشرح وجهة نظرك.

• خلص السبب وراء كل من:

• a. لبس المعطف والنظارة في المختبر.
• b. عدم إعادة المواد الكيميائية غير المستعملة إلى العبوة الأصلية.
• c. عدم لمس عدسة المجهر بأصابعك في المختبر.
• d. عدم لبس ملابس فضفاضة أو أشياء متدلية مثل الشماغ في المختبر.

• فسر الأشكال العلمية: ما احتياطات السلامة التي تستخدمها عند رؤية رموز السلامة الآتية؟

صور الصفحة:

[09_الشكل_1-19_فوائد_الكيمياء_تقنيات_السيارة_والغواصة_الصغيرة.png](sandbox:/mnt/data/صور_درس_البحث_العلمي/09_الشكل_1-19_فوائد_الكيمياء_تقنيات_السيارة_والغواصة_الصغيرة.png)

[10_رموز_السلامة_احتياطات_المختبر.png](sandbox:/mnt/data/صور_درس_البحث_العلمي/10_رموز_السلامة_احتياطات_المختبر.png)