Questo articolo è uno di una serie di esperimenti destinati a insegnare agli studenti su come la scienza è fatto, dalla generazione di un’ipotesi alla progettazione di un esperimento per analizzare i risultati È possibile ripetere i passaggi qui e confrontare i risultati-o utilizzare questo come ispirazione per progettare il proprio esperimento.
Fare caramelle rock a casa richiede solo due ingredienti: acqua e zucchero. Un sacco di zucchero, come ho scoperto quando ho eseguito un esperimento di rock candy nel 2018 (e ho finito le cose dolci). La maggior parte delle ricette consiglia di utilizzare circa tre volte più zucchero dell’acqua. Questo è così tanto, sembra uno spreco. Per vedere se potevo farla franca con meno, ho fatto un altro esperimento.
Spoiler: Meno zucchero non è la risposta.
Nel mio precedente esperimento, ho dimostrato che i cristalli di semi sono molto importanti per la creazione di caramelle rock. Mettere alcuni grani di zucchero su un bastone o una corda favorisce la formazione di cristalli più grandi. Questo accelera la produzione di caramelle.
Avevo calcolato che per fare abbastanza caramelle rock per quell’esperimento, avrei dovuto riempire 52 bicchieri di plastica con una soluzione di zucchero. Ma la ricetta delle caramelle ha usato più zucchero di quanto mi aspettassi e ho finito rapidamente. Questo perché la ricetta richiedeva un chilogrammo (8 tazze) di zucchero per ogni 300 grammi (2,7 tazze) di acqua. E ‘ un rapporto zucchero-acqua di 3: 1. Alla fine, ho dovuto eseguire il mio esperimento con solo 18 bicchieri di plastica.
Tutto ha funzionato alla fine e sono stato in grado di testare la mia ipotesi. Ma mi chiedevo se avrei potuto usare meno zucchero e più acqua. Per scoprirlo, un altro esperimento era in ordine.
Zucchero super-saturo
Fare caramelle rock inizia con la dissoluzione dello zucchero in acqua. Il rapporto tra zucchero e acqua della ricetta è così alto, però, che lo zucchero non si dissolverà senza un po ‘ di aiuto. Non importa quanto mi muovo, c’è solo troppo zucchero.
Che cambia quando la temperatura dell’acqua aumenta. Mentre l’acqua si riscalda, le singole molecole d’acqua si muovono sempre più velocemente. Quelle molecole veloci possono più facilmente rompere i cristalli di zucchero che erano stati scaricati nell’acqua. Presto, tutto lo zucchero si dissolve nell’acqua e l’acqua diventa chiara.
Questa soluzione non è stabile, tuttavia. È una soluzione super-satura. L’acqua contiene più zucchero di quello che può contenere a temperatura ambiente. Mentre l’acqua si raffredda, quindi, lo zucchero precipita lentamente, diventando di nuovo solido. Se i cristalli di zucchero hanno qualcosa da attaccare — come un bastone o un pezzo di corda con un po ‘ di zucchero già su di esso — tenderanno ad attaccarsi lì. Nel corso del tempo, abbastanza cristalli di zucchero si aggrappano insieme per fare un pezzo di caramelle roccia.
Ma quanto deve essere super-satura la mia soluzione per creare caramelle rock? Per capirlo, inizierò con una dichiarazione che posso testare-un’ipotesi. La mia ipotesi è che l’utilizzo di un rapporto inferiore tra zucchero e acqua nella mia soluzione produrrà meno caramelle di roccia rispetto a una miscela con una concentrazione di zucchero elevata.
Cooking candy
Per testare questa ipotesi, ho fatto tre lotti di rock candy. Il primo lotto è il mio controllo: la ricetta originale di rock candy con un rapporto 3: 1 tra zucchero e acqua, una soluzione super-satura. Un secondo lotto ha utilizzato un rapporto zucchero-acqua di 1: 1. Quella soluzione è satura-lo zucchero va in soluzione con agitazione e forse un po ‘ di calore. Il terzo gruppo ha una soluzione con un rapporto zucchero-acqua di 0,33: 1. Questa soluzione non è satura; lo zucchero si dissolve nell’acqua a temperatura ambiente.
Non posso fare solo un pezzo di rock candy per ogni condizione di test. Ho bisogno di ripetere il mio esperimento e fare abbastanza caramelle roccia per rilevare una differenza tra i tre gruppi. Per questo esperimento, che significava cucinare fino 12 lotti di caramelle roccia per ogni gruppo.
Ho fatto rock candy per un esperimento prima. Questa volta, ho fatto alcune modifiche:
- Misurare e tagliare 36 pezzi puliti di corda. Assicurarsi che ci sia abbastanza stringa per legare intorno a un bastone sopra la tazza, pur lasciando stringa a penzolare nella soluzione di zucchero.
- Immergere un’estremità della corda di 12,7 centimetri (5 pollici) in una tazza di acqua pulita, quindi arrotolarla in un piccolo mucchio di zucchero. Mettere da parte ad asciugare.
- Preparare 36 bicchieri di plastica o di vetro.
- In una pentola capiente, portare ad ebollizione l’acqua e lo zucchero, mescolando. Tieni d’occhio il tuo mix. Quando l’acqua arriva a ebollizione, lo zucchero dovrebbe pop in soluzione e l’acqua diventerà chiaro.
- Per la soluzione 3:1, mescolare 512 grammi (4 tazze) di acqua e 1,5 chilogrammi (12 tazze) di zucchero. Ho fatto due lotti, che ha finito per utilizzare circa 8 tazze di acqua e 24 tazze di zucchero in totale.
- Per la soluzione 1:1, aggiungere uguali quantità di zucchero e acqua nella pentola e portare a ebollizione. Quindi per 12 tazze d’acqua, avresti bisogno di 12 tazze di zucchero.
- Per la soluzione 0.33:1, 15 tazze di acqua e 5 tazze di zucchero dovrebbero essere abbondanti.
- Una volta che la soluzione è chiara, aggiungere colorante alimentare per ottenere un colore desiderato. Ho usato il rosso per la mia soluzione 3:1, il verde per la mia soluzione 1:1 e il blu per la mia soluzione 0.33:1.
- Se la soluzione è calda, si consiglia di attendere alcuni minuti prima di versarla nelle tazze. Se le tazze sono sottili, plastica a buon mercato, il liquido caldo potrebbe farli sciogliere e abbassamento. (Questo è successo a me; le mie tazze rosse erano tristi e cadenti in fondo.)
- Utilizzando un misurino, versare 300 millilitri (10 once fluide, poco più di una tazza) della soluzione in ogni tazza. Potrebbe essere necessario fare un altro lotto o due di ogni soluzione fino ad avere abbastanza per riempire tutte le 12 tazze in ogni gruppo.
- Pesare ogni stringa prima di immergerla nella soluzione. Usa una scala per trovare la massa di ogni corda in grammi (ciascuna delle mie pesava circa un grammo). Dopo aver notato la massa, immergere con cura il bastoncino in una tazza della soluzione zuccherina, quindi fissarlo in posizione. Assicurarsi che la corda non tocchi il fondo o i lati della tazza. Ho legato ogni corda a uno spiedino di legno posto su diverse tazze.
- Metti tutte le tazze in un luogo fresco e asciutto dove non saranno disturbate.
- Aspetta. Quanto tempo? Si inizierà a vedere cristalli di zucchero si formano dopo un giorno o giù di lì. Ma se vuoi mangiare caramelle, ti consigliamo di aspettare almeno cinque giorni.
Alla fine dell’esperimento, esci di nuovo dalla scala. Estrai ogni corda dalla sua tazza, assicurati che non goccioli e pesala una seconda volta. Dovresti mangiarlo? Forse no.
Avere i vostri dati e mangiare troppo?
Per scoprire quanta caramella rock hai fatto in ogni gruppo, sottrai il peso di ogni corda all’inizio dell’esperimento dal peso della corda rivestita di caramelle. Questo ti dirà quanti grammi di cristalli di zucchero erano cresciuti.
Alla fine del mio esperimento di cinque giorni, ho creato un foglio di calcolo dei miei risultati, con ogni gruppo che ottiene la propria colonna. In fondo, ho calcolato la media – la crescita media dei cristalli-per ciascun gruppo.
Il mio gruppo di controllo super-saturo è cresciuto in media di 10,5 grammi di caramelle. La caramella sembrava rosa e gustosa. Ma i miei altri gruppi sono cresciuti in media – zero grammi di caramelle. Sembravano fradici pezzi di corda blu o verde. Alcune delle tazze anche cresciuto muffa. (Lordo. Non mangiarli.)
I tre gruppi erano diversi l’uno dall’altro? Certamente sembrava che il gruppo super-saturo fosse diverso. Ma per essere sicuro, avevo bisogno di eseguire alcune statistiche-test che interpreteranno le mie scoperte.
Il primo test che ho fatto è stata un’analisi della varianza, o ANOVA. Questo test viene utilizzato per confrontare i mezzi di tre o più gruppi. Ci sono calcolatori gratuiti che eseguiranno questo test per te online. Ho usato quello a Buone calcolatrici.
Questo test fornisce due risultati, un valore F-stat e un valore p. Un F-stat è un numero che ti dice se tre o più gruppi sono diversi l’uno dall’altro. Più alto è il F-stat, più è probabile che i gruppi siano diversi l’uno dall’altro in qualche modo. La mia F-stat era 42.8. Questo è molto grande; c’è una grande differenza tra questi tre gruppi.
Il valore p è una misura di probabilità. Esso misura quanto sia probabile che io possa trovare per caso da solo una differenza tra i miei tre gruppi che era almeno grande come quello che riporto. Un valore p inferiore a 0,05 (o cinque per cento) è considerato da molti scienziati statisticamente “significativo.”Il valore p che ho ottenuto da buone calcolatrici era così piccolo che è stato segnalato come 0. C’è uno 0 per cento di possibilità che vedrei una differenza così grande per caso.
Ma questi sono solo numeri che riportano una differenza tra i tre gruppi. Non mi dicono dove sia la differenza. È tra il gruppo di controllo e il gruppo 0.33:1? Il gruppo 1:1 e il gruppo 0.33:1? Entrambi? Nessuno dei due? Non ne ho idea.
Per imparare, ho bisogno di eseguire un altro test. Questo test è chiamato test post-hoc che mi consente di analizzare ulteriormente i miei dati. I test post-hoc devono essere utilizzati solo quando si dispone di un risultato significativo da analizzare.
Esistono molti tipi di test post-hoc. Ho usato il test della portata di Tukey. Confronterà tutti i mezzi tra tutti i gruppi. Quindi confronterà il rapporto 3:1 con 1: 1, quindi 3:1 a 0,33 a 1 e infine 1:1 a 0,33 a 1. Per ciascuno, il test intervallo di Tukey fornisce un valore P.
Il test della gamma del mio Tukey ha mostrato che il gruppo di controllo 3:1 era significativamente diverso da 1:1 (un valore p di 0,01, una probabilità dell’uno per cento di una differenza). Il gruppo 3:1 era anche significativamente diverso dal 0.33: 1 (un valore p di 0.01). Ma i gruppi 1:1 e 0.33:1 non erano diversi l’uno dall’altro (cosa che ci si aspetterebbe, poiché entrambi avevano una media di crescita zero dei cristalli). Ho fatto un grafico per mostrare i miei risultati.
Questo esperimento sembra abbastanza chiaro: se vuoi caramelle rock, hai bisogno di molto zucchero. La soluzione super-saturata è un must in modo che lo zucchero possa cristallizzare sulla tua corda.
Ma ci sono sempre cose che uno scienziato può fare meglio in qualsiasi studio. Ad esempio, ho avuto tre gruppi con diverse quantità di zucchero nell’acqua. Ma un altro buon controllo — un gruppo in cui nulla cambia — sarebbe uno senza zucchero in acqua a tutti. La prossima volta che voglio farmi qualche caramella, ho un altro esperimento da fare.
Materiali
zucchero Semolato (6 borse, $6.36 ciascuno)
Griglia spiedini (confezione da 100, $4.99)
Cancella bicchieri di plastica (confezione da 100, $6.17)
String ($2.84)
una pentola di Grandi dimensioni (4 quarti, $11.99)
misurini ($7.46)
Scotch ($1.99)
colorante Alimentare ($3.66)
Rotolo di asciugamani di carta ($0.98)
Nitrile o guanti di lattice ($4.24)
Piccola scala digitale ($11.85)