Diffusie van metileenblou en permanganaat: wat die agareksperiment toon

'n Onderwyser sny twee putjies in 'n agarplaat, vul een met blou kleurstof en een met pers oplossing, en sê vir die klas om dop te hou. 'n Uur later is die pers ring wyer. Die klas skryf neer dat kaliumpermanganaat vinniger as metileenblou diffundeer omdat dit ligter is.

Daardie sin is half reg en half misleidend, en die misleidende helfte is die interessante deel. Die demonstrasie is 'n standaardles oor diffusie, soos byvoorbeeld in hierdie laboratoriumoefening oor agardiffusie beskryf word, maar wat leerders sien, is nie molekulêre massa in aksie nie. Dit is die beweging van 'n sigbare kleurrand deur 'n gel, wat beïnvloed word deur ioongrootte, hidrasie, kleurstofbinding, konsentrasie, temperatuur en die manier waarop die rand gemeet word.

Die gekleurde rand is nie die diffusiekoëffisiënt nie

Diffusie is die verspreiding van opgeloste deeltjies van 'n hoë konsentrasie na 'n lae konsentrasie. Die diffusiekoëffisiënt, gewoonlik as D geskryf, beskryf hoe vinnig hierdie verspreiding plaasvind vir 'n bepaalde opgeloste stof in 'n bepaalde medium by 'n bepaalde temperatuur.

'n Klaskamerplaat wys D nie direk nie. Dit wys 'n grens waar die kleur te vaag word om te sien. Daardie grens hang af van die kleurstof se absorptiwiteit, beligting, kamerabeligtingstyd, die konsentrasie wat in die putjie geplaas is en die oordeel van die persoon wat die liniaal vashou, asook van diffusie self.

Noem die klaskamermeting wat dit is: die beweging van 'n sigbare diffusiefront. Formele benaderings verbind die gemiddelde gekwadrateerde verplasing met D deur verwantskappe van die vorm wat in Fickse diffusie-analise voorkom, maar om D deur passing te bepaal, verg konsentrasieprofiele oor tyd, nie 'n enkele deursnee aan die einde van die les nie. Een gepubliseerde klaskamerstudie het 'n diffusiekoëffisiënt vir metileenblou van ongeveer 4.5 maal 10^-10 m^2/s in gel bepaal deur gekwadrateerde afstand teen tyd uit te stip, eerder as om die finale vlekgroottes te vergelyk. 'n Enkele momentopname kan dit nie doen nie.

Dit is die konsep agter die demonstrasie, en al die ander besonderhede gaan oor hoe getrou die plaat dit verteenwoordig.

Twee gekleurde ione, nie twee molekules nie

Nie een van die opgeloste stowwe beweeg deur agar in die vorm van die formule wat op die bottel gedruk is nie. Albei is sterk elektroliete wat in water dissosieer.

Kaliumpermanganaat (KMnO4, formulemassa ongeveer 158.03 g/mol) verdeel in kaliumione en permanganaatione. Die pers deeltjie wat beweeg, is die permanganaatioon MnO4^-, met 'n massa van ongeveer 118.94 g/mol, omring deur 'n watermantel. Metileenblouchloried (watervrye sout C16H18ClN3S, ongeveer 319.85 g/mol) verdeel in chloried en die blou organiese katioon MB^+, met 'n massa van ongeveer 284.41 g/mol, wat ook gehidreer is. Die NIST-rekord vir metileenblou en die ChEBI-inskrywing vir metileenblou dokumenteer hierdie vorme, en die verwysingsartikel oor chemie en struktuur verduidelik waarom die katioon, die watervrye sout en die hidrate afsonderlike name nodig het.

Drie gevolge volg hieruit.

Eerstens onderskat 'n vergelyking van 158 met 320 die werklike grootteverskil tussen die gekleurde ione, aangesien die pers spesie van ongeveer 119 g/mol baie kleiner is as die blou katioon van ongeveer 284 g/mol, en albei hidrasiemantels het wat hul effektiewe grootte vergroot.

Tweedens heg metileenbloukatione aan ander materiale. Hulle vorm dimere en groter aggregate namate die konsentrasie styg, en hulle adsorbeer aan agar, met binding van sowel monomere as dimere wat in studies oor agaradsorpsie gerapporteer is. Geadsorbeerde kleurstof bly op een plek. Dit kleur die gel sonder om die front vorentoe te laat beweeg.

Derdens is die algemene reagenspoeier 'n hidraat, dus bevat 'n afgemete gram water in die kristal. Die vergelyking tussen die trihidraat en die watervrye vorm wys hoe dit molariteit verander. Vir 'n regverdige klaskamervergelyking moet oplossings met gelyke molêre konsentrasies van die soute berei word, en die vaste vorm wat gebruik is, moet aangeteken word.

Waarom ligter nie hier vinniger beteken nie

In verdunde vloeistowwe is die Stokes-Einstein-model 'n beter eerste model as massa: die diffusiekoëffisiënt is eweredig aan temperatuur gedeel deur viskositeit en hidrodinamiese radius. 'n Kleiner gehidreerde grootte gee die voordeel. 'n Laer massa korreleer dikwels met 'n kleiner grootte binne een chemiese familie, dus kan ligter soos 'n verklaring lyk. Dit is 'n korrelasie, nie die meganisme nie.

Graham se wet, wat bepaal dat gasuitvloeiingstempo's eweredig is aan die omgekeerde vierkantswortel van molêre massa, geld nie vir hierdie plaat nie. Die afleiding daarvan hoort by die kinetiese teorie van gasse, soos opgesom in hierdie OpenStax-bespreking van uitvloeiing en diffusie van gasse. Vloeistowwe voeg viskose weerstand, hidrasie, vormeffekte en opeenhoping by. Gele voeg poriestruktuur, kronkelende diffusiepaaie, adsorpsie en ladingsinteraksies met die polimeer by.

Die syfers wys die verskil. Graham se wet, toegepas op 158 teenoor 320, voorspel 'n tempoverhouding van ongeveer 1.42. Gemete diffusiekoëffisiënte in verdunde waterige oplossings vertel 'n ander verhaal: permanganaat by ongeveer 1.6 tot 1.8 maal 10^-9 m^2/s teenoor metileenblou by ongeveer 4.5 tot 5 maal 10^-10 m^2/s, 'n verhouding nader aan 3 of 4. Massa alleen kan nie daardie verhouding oplewer nie. Gehidreerde grootte, aggregasie en binding aan die gel verklaar die res.

Behandel ligter-vinniger as 'n model met aannames: sferiese deeltjies, geen binding, geen aggregasie en identiese toestande. Die plaat voldoen nie aan minstens twee daarvan nie.

Hoe om 'n regverdige vergelyking te doen

Die demonstrasie misluk soos sagteware misluk: die onderliggende idee is goed, maar die omskakeling van idee na meting is vol slaggate. Elkeen hiervan verander die antwoord sonder om enige molekulêre eienskap te verander.

Gebruik een lot agar wat tot dieselfde diepte gegiet word, een putjiesnyer, gelyke vloeistofvolumes, gelyke molêre konsentrasies en konsentrasies wat laag genoeg is om metileenblou-aggregasie te beperk en die kleur onversadig te hou. Sny minstens drie herhalingsputjies per opgeloste stof, ver genoeg uitmekaar dat die fronte nooit ontmoet nie. Bedek die bakkies, hou hulle gelyk en hou die temperatuur konstant, aangesien werk met kleurstowwe in agar sterk temperatuur- en konsentrasieafhanklikheid toon. Definieer tyd nul as die oomblik van vulling, en definieer die rand voordat jy meet: 'n vaste fotografiese drempel is beter as 'n grens wat met die oog geskat word, omdat blou en pers verskillende visuele waarnemingsgrense het. Teken twee loodregte deursneë per vlek aan en skakel dit om na die gemiddelde radius, aangesien verwarring tussen radius en deursnee enige grafiek van gekwadrateerde afstand met 'n faktor van vier verwring.

Byskrifte: die linkerpaneel wys die radius van bo af, gemeet van die putjierand tot by die kleurrand vir elke front; die regterpaneel wys die agardwarssnit met die putjiediepte en gradiëntringe wat na buite strek; die sleutel lys die beheerde veranderlikes (agarpersentasie, dikte, kleurstofmolariteit, volume, putjiegrootte, temperatuur, tyd nul, beligting).

Let op verskynsels wat diffusie naboots. Vloeistof wat oor die agaroppervlak mors, lyk soos vinnige diffusie en is 'n gedokumenteerde artefak van klein agarputjies. Permanganaat is 'n sterk oksideermiddel en kan deur spore van organiese materiaal verbruik word, wat die front tot stilstand bring of bleik. Metileenblou is redoksaktief en kan onder lig of reducerende toestande vervaag; die redokschemie van metileenblou en sy kleurlose gereduseerde vorm verduidelik dié gedrag.

'n Kort opmerking oor die oplosmiddel: albei putjies in die standaarddemonstrasie bevat waterige oplossings. Indien 'n protokol ooit die oplosmiddel verander, raadpleeg eers die gids oor oplosbaarheid en die bereiding van oplossings, omdat oplosbaarheid en aggregasie met die medium verander.

Klaskamerwerkblad vir waarnemings

Kopieer hierdie tabel in aantekeningboeke of druk een ry per putjie uit. Een tabel per bakkie verseker dat herhalings konsekwent aangeteken word.

Vir ontleding, stip die kwadraat van die gemiddelde radius teen die verstreke tyd vir elke putjie uit en vergelyk die hellings, met die definisie van die rand langs die grafiek. As al ses kurwes met hul spreiding getoon word, sien die klas variasie as data eerder as iets om oor skaam te wees.

Veiligheid is deel van die protokol: dra handskoene en oogbeskerming, aangesien metileenblou die vel en klere vlek en permanganaat 'n oksideermiddel is wat vlek en irriteer. Hou oplossings uit die mond, werk oor 'n skinkbord en raak ontslae van plate en vloeistowwe volgens die skool se prosedure vir chemiese afval, eerder as om dit in die wasbak te gooi.

Die sin wat die moeite werd is om neer te skryf

Onder hierdie agar-, konsentrasie- en temperatuurtoestande versprei die sigbare permanganaatfront gewoonlik vinniger as die metileenbloufront. Dit strook met permanganaat se groter effektiewe diffusiekoëffisiënt, hoofsaaklik omdat sy gehidreerde ioon baie kleiner is en dit nie soos metileenblou aggregate vorm of aan agar bind nie. Molekulêre massa korreleer hier met daardie grootteverskil, maar massa alleen bepaal nie diffusietempo's in vloeistowwe of gele nie.

'n Klas wat daardie sin neerskryf, het twee dinge geleer: 'n feit oor twee kleurryke ione, en die gewoonte om te vra wat 'n demonstrasie meet voordat hulle vertrou wat dit skynbaar sê.