Artikel
Die blou-bottel-eksperiment: chemie, prosedure en waarnemings
'n Helder bottel staan op die werkbank. Dit lyk soos water. Iemand skud dit, en die vloeistof word helderblou. Wanneer dit neergesit word, verdwyn die blou binne 'n minuut of twee. Skud dit weer en die blou keer terug. Een vulling kan dit twintig keer of meer herhaal.
Leerders raai gewoonlik dat iets in die bottel weggesteek was, of dat die skud twee lae gemeng het. Albei raaiskote is op 'n leersame manier verkeerd. Die kleur kom van 'n enkele kleurstof, metileenblou, wat deurgaans teenwoordig is. Wat verander, is hoeveel elektrone die kleurstof dra. Die demonstrasie maak 'n redokssiklus sigbaar, en elke veranderlike wat die klas kan waarneem, skudtyd, temperatuur, konsentrasie, stem ooreen met 'n term in die chemie.
Twee vorme van dieselfde kleurstof
Geoksideerde metileenblou is 'n plat, positief gelaaide ringstelsel. Dit absorbeer sterk rondom 600 tot 700 nanometres, wat die oog as diepblou waarneem. Die twee vorme en hul spektra word bespreek in die gids tot die struktuur en eienskappe van metileenblou.
Reduksie voeg twee elektrone en 'n proton by en vorm leukometileenblou: ongelaai, nie-planêr en effektief kleurloos. In alkaliese oplossing lui die halfreaksie MB+ + H2O + 2 e- ⇌ LMB + OH-. Die stap is volledig omkeerbaar. Blou beteken geoksideer, kleurloos beteken gereduseer, en daar is geen derde toestand om na te spoor nie, wat dit 'n duidelike eerste kennismaking met redokschemie maak.
Die siklus: glukose reduseer, suurstof heroksideer
Die bottel bevat drie werkende bestanddele: metileenblou, glukose en sterk alkali, kalium- of natriumhidroksied. Alkali bevorder glukose na reaktiewe gedeprotoneerde vorme wat elektrone aan die kleurstof skenk:
reduserende suiker + MB (blou, geoksideer) -> geoksideerde suikerprodukte + LMB (kleurloos)
Hierdie stadige stap laat die kleur verdwyn terwyl die bottel staan. Glukose is die opofferende skenker en word verbruik. Die kleurstof vervoer bloot elektrone, sodat 'n paar druppels vir 'n hele bottel voldoende is. Ouer klaskamerbeskrywings sê dat glukose glukoonsuur word. Daardie verkorte beskrywing voorspel die waarnemings, maar instrukteurs moet weet dat dit onvolledig is: 'n meganistiese ontleding wat in Royal Society Open Science gepubliseer is volg die oksidasie deur 'n reaktiewe enediolaat tot 'n dikarboniel wat in kleiner sure fragmenteer.
Skud keer die sigbare uitkoms om. Beweging los suurstof uit die vasgevange lug in die kopruimte op, en suurstof heroksideer die gereduseerde kleurstof:
LMB (kleurloos) + O2 -> MB (blou) + gereduseerde suurstofprodukte
Wanneer dit laat staan word, raak die opgeloste suurstof op, glukose reduseer die kleurstof weer en die kleur vervaag. Oor baie siklusse is die netto chemie die oksidasie van suiker deur lug, terwyl die kleurstof onveranderd as 'n redoksbemiddelaar siklusseer. Dit is 'n bemiddelaar eerder as 'n streng katalisator, aangesien die suikeroksidasie daarsonder voortgaan, en die vervaging is nie ontbinding nie: vernietigde kleurstof sou nie deur skud herleef kon word nie. Vir die behoud van stabiele kleurstofvoorraad tussen demonstrasies, sien die notas oor die hantering en berging van metileenblou-oplossings.
Prosedure vir 'n demonstrasie onder toesig
Dit is 'n demonstrasie onder toesig, nie 'n huishoudelike aktiwiteit nie. Alkali vereis oogbeskerming, handskoene en 'n instrukteur wat verantwoordelikheid vir voorbereiding en opruiming aanvaar. Twee gedokumenteerde formulerings stem in struktuur ooreen en verskil in skaal.
Die instruksieblad vir die demonstrasie soos gepubliseer deur die chemiedepartement van Indiana University gebruik ongeveer 5 persent kaliumhidroksied, 4 persent glukose en 1 persent waterige metileenblou. Giet gelyke volumes alkali- en glukose-oplossings in 'n deursigtige 250 of 500 millilitre-bottel totdat dit halfvol is, en laat die res as 'n luggevulde kopruimte. Voeg 'n paar druppels kleurstof by, sit die doppie op, verseël die naat en laat dit staan totdat die blou verdwyn. Die prosedure van die Royal Society of Chemistry skaal dieselfde idee op na 'n 1 litre-fles met 'n prop: 300 millilitres water, 10 grams glukose, 8 grams kaliumhidroksied (of 6 grams natriumhidroksied), plus 'n paar millilitres verdunde kleurstofvoorraad.
Om dit uit te voer, skud kragtig. Die volle blou kleur ontwikkel binne sekondes. Sit die fles neer en meet die vervagingstyd. Die Royal Society of Chemistry rapporteer meer as twintig siklusse per vulling. Moet nooit die bottel tot by die rand vul nie: sonder vasgevange lug is daar geen suurstofreserwe om op te los nie.
Wat om waar te neem, en wat die tydsberekening verander
Meet die tyd van drie dinge: skud tot volle blou (sekondes), staan tot kleurloos (tot 'n paar minute), en die aantal siklusse voordat die blou verswak. Naby die einde van elke vervaging, let op die oppervlak. 'n Dun blou laag bly dikwels by die luggrensvlak agter, waar suurstof steeds indiffundeer. Daardie lyn maak diffusie sigbaar.
Die blou-bottel-reaksie volg die empiriese snelheidswet wat saam met die Royal Society of Chemistry-prosedure gerapporteer word: rate = k[MB oxidised][glucose]OH-. Elke term is 'n klaskamereksperiment. Meer glukose, alkali of kleurstof verkort die blou periode. Warmte versnel die vervaging; 'n koue fles reageer traag. Kragtiger skud laat meer suurstof oplos, sodat die blou langer hou. 'n Groter kopruimte verleng die verloop. Wanneer die siklusse uiteindelik verswak en die vloeistof geel word, is die suiker opgebruik en het neweprodukte opgebou. Daardie eindpunt is op sigself 'n resultaat wat die moeite werd is om aan te teken.
Waarnemingswerkblad
Kopieer hierdie tabel na notaboeke, een ry per proef. Hierdie werkblad plus die reaksiediagram hierbo is die drukbare materiaal vir hierdie artikel.
| Proef | Toestand verander | Skudtyd (s) | Tyd tot volle blou (s) | Tyd tot kleurloos | Notas (kleurdiepte, temperatuur) |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | basislyn | ||||
| 2 | |||||
| 3 |
Voorspellingsvrae, beantwoord voor elke proef:
- Die bottel is blou net nadat dit geskud is. Watter kleurstofvorm oorheers, en wat het dit in daardie toestand gebring?
- Die bottel staan en vervaag. Watter reaksie oorheers, en watter bestanddeel word opgebruik?
- Ná baie siklusse word die blou flou en gelerig. Laat dit herleef met kleurstof, alkali of glukose, en waarom?
- Skets kleur teenoor tyd vir een siklus. Merk waar suurstof die oplossing binnegaan.
Instrukteursantwoorde: (1) geoksideerde metileenblou, heroksideer deur opgeloste suurstof uit die kopruimte; (2) reduksie deur glukose, glukose word verbruik; (3) glukose, die beperkende skenker, aangesien die kleurstof onveranderd siklusseer; (4) skerp styging tydens skud, geleidelike daling tydens staan, suurstof kom slegs tydens die styging binne.
Naverwante demonstrasies wat die moeite werd is om te benoem
Die verkeersligdemonstrasie vervang metileenblou met indigokarmyn en beweeg deur geel, rooi en groen met oksigenering. Die naam groen bottel word losweg gebruik: soms vir daardie variant, soms vir groener formulerings soos askorbiensuurstelsels of 'n ensiematiese siklusstelsel wat deur die American Chemical Society beskryf is. Benoem die spesifieke variant wat op die werkbank is sodat leerders nie waarnemings uit verskillende chemiese stelsels saamvoeg nie.
Veiligheid en hantering
Deurlopende toesig. Chemiese spat-oogbeskerming en handskoene vir die hantering van die alkaliese oplossing of die skud van die fles met prop. Alkali veroorsaak brandwonde, die kleurstof vlek vel en materiaal, en kleurstofvoorraad wat in etanol aangemaak is, voeg 'n vlambare oplosmiddel by die werkbank. Hou die fles toegestop terwyl dit geskud word. Hou gebruikte oplossings daarna vir hantering volgens jou instelling se eie laboratoriumreëls. Vereistes vir alkaliese, kleurstofbevattende afval verskil tussen instellings en jurisdiksies, volg dus die prosedure van jou eie laboratorium eerder as om een uit 'n ander bron oor te neem.
As jy syfers eerder as kleurveranderings wil hê, neem kwantitatiewe bepalings vir metileenblou oor waar hierdie demonstrasie eindig.
Waarom onderwysers hierdie bottel behou
Een fles vat vier idees saam. Redoks word 'n kleur eerder as 'n definisie. 'n Bemiddelaar wys hoe 'n spoorhoeveelheid van een stof inligting oor 'n groot hoeveelheid van 'n ander kan gee. Kinetika word sigbaar van termodinamika onderskei: suurstof oorheers terwyl skud dit voorsien, glukose oorheers wanneer die toevoer stop. En diffusie, die stilste proses in chemie, dryf die hele vertoning, want elke blou flits begin wanneer suurstof van lug na water oorgaan. 'n Demonstrasie waarmee leerders dit alles met 'n stophorlosie en 'n tabel kan voorspel, tydmeet en verduidelik, het sy plek op die werkbank verdien.