የሜቲሊን ብሉ እና የፐርማንጋኔት ስርጭት፦ የአጋር ሙከራው ምን ያሳያል?

አንድ መምህር በአጋር ሳህን ውስጥ ሁለት ጉድጓዶችን ይቆርጣል፣ አንዱን በሰማያዊ ማቅለሚያ፣ ሌላውን በሐምራዊ ሟሟ ይሞላል፣ ከዚያም ተማሪዎቹ እንዲመለከቱ ይነግራቸዋል። ከአንድ ሰዓት በኋላ ሐምራዊው ክብ የበለጠ ሰፊ ይሆናል። ተማሪዎቹም ፖታስየም ፐርማንጋኔት ከሜቲሊን ብሉ የበለጠ ቀላል ስለሆነ በፍጥነት እንደሚሰራጭ ይጽፋሉ።

ይህ ዓረፍተ ነገር በግማሽ ትክክል፣ በግማሽ ደግሞ አሳሳች ነው፤ አስደሳቹም ክፍል አሳሳቹ ግማሽ ነው። ይህ ማሳያ መደበኛ የስርጭት ትምህርት ነው፤ ለምሳሌ በዚህ የአጋር ስርጭት የላቦራቶሪ ልምምድ ተገልጿል። ሆኖም ተማሪዎቹ የሚያዩት የሞለኪውላዊ ክብደት ቀጥተኛ ተጽዕኖ አይደለም። የሚያዩት በጄል ውስጥ የሚንቀሳቀስ የሚታይ የቀለም ዳር ነው፤ ይህን እንቅስቃሴ የአየኑ መጠን፣ በውሃ መከበቡ፣ የማቅለሚያው መያያዝ፣ ክምችት፣ ሙቀት እና ዳሩ የሚለካበት መንገድ ይወስኑታል።

ባለቀለሙ ዳር የስርጭት ኮኤፊሺየንት አይደለም

ስርጭት ማለት የተሟሟ ቅንጣቶች ከከፍተኛ ክምችት ወደ ዝቅተኛ ክምችት መስፋፋት ነው። ብዙውን ጊዜ በD የሚወከለው የስርጭት ኮኤፊሺየንት፣ አንድ የተሟሟ ንጥረ ነገር በተወሰነ ማካከለኛ ንጥረ ነገር ውስጥ በተወሰነ ሙቀት ምን ያህል በፍጥነት እንደሚሰራጭ ይገልጻል።

የክፍል ውስጥ ሙከራ ሳህን Dን በቀጥታ አያሳይም። የሚያሳየው ቀለሙ እጅግ ደብዝዞ መታየት የሚያቆምበትን ድንበር ነው። ያ ድንበር በስርጭቱ ብቻ ሳይሆን፣ በማቅለሚያው ብርሃን የመምጠጥ ችሎታ፣ በመብራት፣ በካሜራው የብርሃን መቀበያ ቅንብር፣ በጉድጓዱ ውስጥ በተጨመረው ሟሟ ክምችት እና መለኪያውን በያዘው ሰው ግምት ላይም ይወሰናል።

የክፍል ውስጥ መለኪያውን በትክክለኛው ስሙ ጥሩት፦ የሚታይ የስርጭት ድንበር እንቅስቃሴ። መደበኛ ትንተናዎች የመፈናቀል ርቀት ካሬ አማካይን ከD ጋር በፊክ ሕግን በሚከተል የስርጭት ትንተና ውስጥ በሚገኙ ዓይነት ግንኙነቶች ያዛምዳሉ። ሆኖም Dን ከመለኪያዎች ለመወሰን በጊዜ ሂደት የክምችት ስርጭት መረጃ ያስፈልጋል፤ በትምህርቱ መጨረሻ የሚለካ አንድ ዲያሜትር ብቻ አይበቃም። አንድ የታተመ የክፍል ውስጥ ጥናት የመጨረሻ የቀለም ክቦችን መጠን ከማነጻጸር ይልቅ፣ የርቀት ካሬን ከጊዜ ጋር በግራፍ በማሳየት፣ በጄል ውስጥ የሜቲሊን ብሉ የስርጭት ኮኤፊሺየንት ወደ 4.5 ጊዜ 10^-10 m^2/s እንደሚቀርብ ወስኗል። አንድ ጊዜ ብቻ የተነሳ ምስል ይህን ሥራ ሊሠራ አይችልም።

ከማሳያው ጀርባ ያለው ጽንሰ ሐሳብ ይህ ነው፤ ሌላው ሁሉ ሳህኑ ይህን ጽንሰ ሐሳብ ምን ያህል በትክክል እንደሚወክል የሚመለከት ዝርዝር ነው።

ሁለት ባለቀለም አየኖች እንጂ ሁለት ሞለኪውሎች አይደሉም

ከሁለቱም የተሟሟ ንጥረ ነገሮች አንዱም በጠርሙሱ ላይ በታተመው ፎርሙላ መልክ በአጋር ውስጥ አይጓዝም። ሁለቱም በውሃ ውስጥ ወደ አየኖች የሚለያዩ ጠንካራ ኤሌክትሮላይቶች ናቸው።

ፖታስየም ፐርማንጋኔት (KMnO4፣ የፎርሙላ መጠነ ቁስ ወደ 158.03 g/mol) ወደ ፖታስየም አየኖች እና ፐርማንጋኔት አየኖች ይለያያል። ሐምራዊው ተጓዥ ወደ 118.94 g/mol መጠነ ቁስ ያለው፣ በውሃ ሞለኪውሎች ሽፋን የተከበበው የፐርማንጋኔት አየን MnO4^- ነው። ሜቲሊን ብሉ ክሎራይድ (ውሃ አልባው ጨው C16H18ClN3S፣ ወደ 319.85 g/mol) ወደ ክሎራይድ እና ሰማያዊው ኦርጋኒክ ካታየን MB^+ ይለያያል፤ ይህ ካታየን ወደ 284.41 g/mol መጠነ ቁስ ያለው ሲሆን፣ እሱም በውሃ ሞለኪውሎች የተከበበ ነው። የNIST የሜቲሊን ብሉ መዝገብ እና የChEBI የሜቲሊን ብሉ መረጃ እነዚህን ቅርጾች ይመዘግባሉ። የኬሚስትሪ እና የመዋቅር ማጣቀሻው ደግሞ ካታየኑ፣ ውሃ አልባው ጨው እና ውሃ በክሪስታላቸው ውስጥ የያዙት ቅርጾች ለምን የተለያዩ ስሞች እንደሚያስፈልጋቸው ያብራራል።

ከዚህ ሦስት ውጤቶች ይከተላሉ።

በመጀመሪያ፣ 158ን ከ320 ጋር ማነጻጸር በባለቀለሙ አየኖች መካከል ያለውን እውነተኛ የመጠን ልዩነት አሳንሶ ያሳያል። ምክንያቱም ወደ 119 g/mol የሆነው ሐምራዊ አየን፣ ወደ 284 g/mol ከሆነው ሰማያዊ ካታየን እጅግ ያነሰ ነው፤ ሁለቱም ደግሞ ተግባራዊ መጠናቸውን የሚጨምሩ የውሃ ሞለኪውሎች ሽፋኖችን ይዘዋል።

ሁለተኛ፣ የሜቲሊን ብሉ ካታየኖች ከሌሎች ነገሮች ጋር ይጣበቃሉ። ክምችቱ ሲጨምር ዳይመሮችን እና የበለጠ ትላልቅ ስብስቦችን ይፈጥራሉ፤ በአጋር ወለል ላይም ይጣበቃሉ። በአጋር ወለል ላይ የመጣበቅ ጥናቶች ውስጥ የሞኖመርም ሆነ የዳይመር መያያዝ ተዘግቧል። የተጣበቀው ማቅለሚያ ባለበት ይቆያል። ድንበሩን ወደ ፊት ሳያንቀሳቅስ ጄሉን ያቀልማል።

ሦስተኛ፣ በተለምዶ የሚጠቀሙበት የሪኤጀንት ዱቄት ሃይድሬት ነው፤ ስለዚህ በሚዛን የተለካ አንድ ግራም በክሪስታሉ ውስጥ ውሃ ይይዛል። የትራይሃይድሬት እና የውሃ አልባ ቅርጽ ንጽጽር ይህ ሞላሪቲን እንዴት እንደሚለውጥ ያሳያል። ለፍትሃዊ የክፍል ውስጥ ንጽጽር፣ የጨዎቹ ሞላር ክምችቶች እኩል የሆኑ ሟሟዎችን አዘጋጁ፣ የትኛው ጠጣር ቅርጽ እንደተጠቀማችሁም መዝግቡ።

እዚህ ቀላል መሆን ለምን ፈጣን መሆን አይደለም?

በዝቅተኛ ክምችት ባላቸው ፈሳሾች ውስጥ፣ ከመጠነ ቁስ ይልቅ የተሻለ የመጀመሪያ ሞዴል የስቶክስ–አይንስታይን ሞዴል ነው። በዚህ ሞዴል የስርጭት ኮኤፊሺየንት ከሙቀት ጋር በቀጥታ፣ ከውስጣዊ የፍሰት መቋቋም እና ከሃይድሮዳይናሚክ ራዲየስ ጋር ደግሞ በተገላቢጦሽ ይመጣጠናል። በውሃ ሞለኪውሎች የተከበበው ቅንጣት መጠን ያነሰ ሲሆን የበለጠ በፍጥነት ይሰራጫል። በአንድ የኬሚካል ቤተሰብ ውስጥ ዝቅተኛ መጠነ ቁስ ብዙውን ጊዜ ከትንሽ መጠን ጋር ስለሚዛመድ፣ ቀላል መሆን ማብራሪያ ሊመስል ይችላል። ይህ ዝምድና ነው እንጂ የሂደቱ ዘዴ አይደለም።

የጋዞች በጥቃቅን ቀዳዳ የመውጣት ፍጥነት ከሞላር መጠነ ቁስ ካሬ ሥር ተገላቢጦሽ ጋር እንደሚመጣጠን የሚገልጸው የግራሃም ሕግ ይህን ሳህን አይገዛም። የሕጉ አመጣጥ በዚህ የOpenStax የጋዞች በቀዳዳ መውጣት እና ስርጭት ማብራሪያ ውስጥ በተጠቃለለው የጋዞች እንቅስቃሴ ንድፈ ሐሳብ ይመሠረታል። ፈሳሾች የፍሰት መቋቋም፣ በውሃ ሞለኪውሎች መከበብ፣ የቅርጽ ተጽዕኖዎች እና የቅንጣቶች መጨናነቅ ይጨምራሉ። ጄሎች ደግሞ የቀዳዳዎች መዋቅር፣ የመንገዶች ጠመዝማዛነት፣ በወለል ላይ መጣበቅ እና ከፖሊመሩ ጋር የኤሌክትሪክ ክፍያ መስተጋብሮችን ይጨምራሉ።

ቁጥሮቹ ልዩነቱን ያጋልጣሉ። የግራሃም ሕግን በ158 እና 320 ላይ ሲተገብሩ፣ የፍጥነት ሬሾው ወደ 1.42 እንደሚሆን ይተነብያል። በዝቅተኛ ክምችት ባላቸው የውሃ ሟሟዎች ውስጥ የተለኩ የስርጭት ኮኤፊሺየንቶች ግን የተለየ ነገር ያሳያሉ፦ ለፐርማንጋኔት ወደ 1.6 እስከ 1.8 ጊዜ 10^-9 m^2/s፣ ለሜቲሊን ብሉ ደግሞ ወደ 4.5 እስከ 5 ጊዜ 10^-10 m^2/s፤ ይህ ሬሾውን ወደ 3 ወይም 4 ያቀርበዋል። መጠነ ቁስ ብቻውን ይህን ሬሾ ሊያስከትል አይችልም። በውሃ የተከበበው መጠን፣ መሰባሰብ እና ከጄል ጋር መያያዝ የቀረውን ልዩነት ያብራራሉ።

«ቀላል ማለት ፈጣን ማለት ነው» የሚለውን ሐሳብ የተወሰኑ ግምቶች ያሉት ሞዴል እንደሆነ ተመልከቱት፦ ሉላዊ ቅንጣቶች፣ መያያዝ አለመኖር፣ መሰባሰብ አለመኖር እና እኩል ሁኔታዎች። ሳህኑ ከእነዚህ ቢያንስ ሁለቱን አያሟላም።

ፍትሃዊ ንጽጽር እንዴት ማድረግ ይቻላል?

ይህ ማሳያ ሶፍትዌር እንደሚሳሳተው ሊሳሳት ይችላል፦ መሠረታዊው ሐሳብ ትክክል ነው፣ ግን ሐሳቡን ወደ መለኪያ የመቀየር ሂደት በወጥመዶች የተሞላ ነው። ከሚከተሉት እያንዳንዱ ሁኔታ ምንም የሞለኪውል ባህሪ ሳይለወጥ ውጤቱን ይለውጣል።

ከአንድ ዝግጅት የተወሰደ፣ በእኩል ጥልቀት የተፈሰሰ አጋር፣ አንድ የጉድጓድ መቁረጫ፣ እኩል የፈሳሽ መጠኖች እና እኩል ሞላር ክምችቶች ተጠቀሙ። የሜቲሊን ብሉ መሰባሰብን ለመገደብ እና ቀለሙ እጅግ ጠንካራ እንዳይሆን ክምችቶቹን በበቂ ሁኔታ ዝቅተኛ አድርጉ። ለእያንዳንዱ የተሟሟ ንጥረ ነገር ቢያንስ ሦስት ተደጋጋሚ ጉድጓዶችን ቁረጡ፣ የቀለም ድንበሮቹ ፈጽሞ እንዳይገናኙም በበቂ ርቀት አስቀምጧቸው። ሳህኖቹን ሸፍኑ፣ በአግድም አስቀምጧቸው፣ ሙቀቱንም ቋሚ አድርጉ፤ ምክንያቱም በአጋር ውስጥ የማቅለሚያ ጥናቶች ጠንካራ የሙቀት እና የክምችት ጥገኛነት ያሳያሉ። የጊዜ ዜሮን ጉድጓዱ በሚሞላበት ቅጽበት ወስኑ፣ ዳሩንም ከመለካታችሁ በፊት ግለጹ፦ ሰማያዊ እና ሐምራዊ ቀለሞች በዓይን የሚለዩበት ዝቅተኛ ደረጃ ስለሚለያይ፣ በፎቶ ላይ የተወሰነ ቋሚ ገደብ በዓይን ከተገመተ ድንበር ይሻላል። ለእያንዳንዱ የቀለም ክብ ሁለት እርስ በርሳቸው ቀጥ ያሉ ዲያሜትሮችን መዝግቡ፣ ከዚያም ወደ አማካይ ራዲየስ ቀይሩ፤ ራዲየስን ከዲያሜትር ጋር ማምታታት ማንኛውንም የርቀት ካሬ ግራፍ በአራት እጥፍ ያዛባል።

መለያዎች፦ የግራው ክፍል ለእያንዳንዱ የስርጭት ድንበር ከጉድጓዱ ዳር እስከ ቀለሙ ዳር የሚለካውን ራዲየስ ከላይ በሚታይ እይታ ያሳያል፤ የቀኙ ክፍል የአጋሩን ቁራጭ፣ የጉድጓዱን ጥልቀት እና ወደ ውጭ እየደበዘዙ የሚሄዱትን የቀለም ክቦች ያሳያል፤ የሥዕሉ መግለጫ የቁጥጥር ተለዋዋጮችን ይዘረዝራል (የአጋር መቶኛ፣ ውፍረት፣ የማቅለሚያ ሞላሪቲ፣ የፈሳሽ መጠን፣ የጉድጓድ መጠን፣ ሙቀት፣ የጊዜ ዜሮ፣ መብራት)።

ስርጭት የሚመስሉ ሌሎች ሂደቶችን ተጠንቀቁ። በአጋሩ ወለል ላይ የሚፈስ ፈሳሽ ፈጣን ስርጭት ይመስላል፤ ይህም በትንንሽ የአጋር ጉድጓዶች የሚከሰት፣ በሰነድ የተመዘገበ የሙከራ ስህተት ነው። ፐርማንጋኔት ጠንካራ ኦክሳይድ አድራጊ ሲሆን፣ በትንሽ መጠን ካለ ኦርጋኒክ ቁስ ጋር በመስተጋብር ሊያልቅ ይችላል፤ ይህም ድንበሩን ያቆማል ወይም ቀለሙን ያጠፋል። ሜቲሊን ብሉ በኦክሳይድ–ሪዳክሽን ምላሾች ይሳተፋል፣ በብርሃን ወይም በሪዳክሽን ሁኔታዎችም ሊደበዝዝ ይችላል፤ የሜቲሊን ብሉ እና ቀለም አልባው ሪዳክሽን የተደረገበት ቅርጽ የሬዶክስ ኬሚስትሪ ይህን ባህሪ ያብራራል።

ስለ አሟሚው አጭር ማስታወሻ፦ በመደበኛው ማሳያ ውስጥ ሁለቱም ጉድጓዶች የውሃ ሟሟዎችን ይይዛሉ። የሙከራ ሂደቱ አሟሚውን የሚቀይር ከሆነ፣ መሟሟት እና መሰባሰብ እንደ ማካከለኛው ንጥረ ነገር ስለሚለወጡ፣ መጀመሪያ የመሟሟት እና የሟሟ ዝግጅት መመሪያውን ይመልከቱ።

የክፍል ውስጥ ምልከታ መመዝገቢያ ቅጽ

ይህን ሰንጠረዥ ወደ ማስታወሻ ደብተሮች ቅዱ፣ ወይም ለእያንዳንዱ ጉድጓድ አንድ ረድፍ አትሙ። ለእያንዳንዱ ሳህን አንድ ሰንጠረዥ መጠቀም የተደጋጋሚ ሙከራዎችን በትክክል ለመመዝገብ ይረዳል።

ለትንተና፣ ለእያንዳንዱ ጉድጓድ የአማካይ ራዲየስን ካሬ ከአለፈው ጊዜ ጋር በግራፍ አሳዩ፣ የግራፎቹንም ዳገቶች አነጻጽሩ፤ ከግራፉ ጎን ዳሩ እንዴት እንደተወሰነ ግለጹ። ስድስቱም ኩርባዎች ከልዩነታቸው ጋር ከታዩ፣ ተማሪዎቹ ልዩነትን እንደ አሳፋሪ ነገር ሳይሆን እንደ መረጃ ይመለከቱታል።

ደህንነት የሙከራ ሂደቱ አካል ነው፦ ሜቲሊን ብሉ ቆዳን እና ልብስን ስለሚያቆሽሽ፣ ፐርማንጋኔትም የሚያቆሽሽ እና የሚያበሳጭ ኦክሳይድ አድራጊ ስለሆነ፣ ጓንት እና የዓይን መከላከያ ልበሱ። ሟሟዎቹ ወደ አፍ እንዳይገቡ አድርጉ፣ በትሪ ላይ ሥሩ፣ ሳህኖቹን እና ፈሳሾቹንም ወደ ማጠቢያ ገንዳ ከማፍሰስ ይልቅ በትምህርት ቤቱ የኬሚካል ቆሻሻ አወጋገድ ሥርዓት መሠረት አስወግዱ።

መጻፍ የሚገባው ዓረፍተ ነገር

በእነዚህ የአጋር፣ የክምችት እና የሙቀት ሁኔታዎች ውስጥ፣ የሚታየው የፐርማንጋኔት ድንበር ብዙውን ጊዜ ከሜቲሊን ብሉ ድንበር በፍጥነት ይስፋፋል። ይህ ፐርማንጋኔት የበለጠ ተግባራዊ የስርጭት ኮኤፊሺየንት እንዳለው ከሚገልጸው ሐሳብ ጋር ይስማማል። ዋናው ምክንያትም በውሃ የተከበበው አየኑ እጅግ ያነሰ መሆኑ እና እንደ ሜቲሊን ብሉ አለመሰባሰቡ ወይም ከአጋር ጋር አለመያያዙ ነው። እዚህ ሞለኪውላዊ መጠነ ቁስ ከዚያ የመጠን ልዩነት ጋር ይዛመዳል፣ ግን መጠነ ቁስ ብቻውን በፈሳሾች ወይም በጄሎች ውስጥ የስርጭት ፍጥነቶችን አይወስንም።

ይህን ዓረፍተ ነገር የጻፉ ተማሪዎች ሁለት ነገሮችን ተምረዋል፦ ስለ ሁለት ባለቀለም አየኖች አንድ እውነታ፣ እና ማሳያ የሚናገረውን የሚመስለውን ከማመናቸው በፊት በእውነቱ ምን እንደሚለካ የመጠየቅ ልማድ።