تجربة الزجاجة الزرقاء: الكيمياء، والخطوات العملية، والملاحظات

توجد زجاجة شفافة على طاولة المختبر. تبدو كأنها تحتوي على الماء. يرجّها أحدهم، فيتحول السائل إلى أزرق زاهٍ. وعند وضعها جانباً، يتلاشى اللون الأزرق خلال دقيقة أو دقيقتين. رجّها مرة أخرى فيعود اللون الأزرق. ويمكن تكرار ذلك عشرين مرة أو أكثر باستخدام التعبئة نفسها.

يخمّن الطلاب عادةً أن شيئاً ما كان مخفياً داخل الزجاجة، أو أن الرجّ مزج طبقتين منفصلتين. وكلا التخمينين يتبين خطؤه بطريقة تعليمية مفيدة. يأتي اللون من صبغة واحدة، هي أزرق الميثيلين، الموجودة في السائل كله. وما يتغير هو عدد الإلكترونات التي تحملها الصبغة. يتيح هذا العرض رؤية دورة أكسدة واختزال بالعين، كما أن كل متغير يستطيع الصف ملاحظته، مثل مدة الرجّ ودرجة الحرارة والتركيز، يقابل عاملاً في الكيمياء الكامنة وراء التفاعل.

شكلان للصبغة نفسها

أزرق الميثيلين المؤكسد عبارة عن نظام حلقي مستوٍ موجب الشحنة. وهو يمتص الضوء بقوة في نطاق 600 إلى 700 nanometres تقريباً، وهو ما تراه العين لوناً أزرق داكناً. وتتناول الدليل إلى بنية أزرق الميثيلين وخصائصه الشكلين وأطيافهما.

يضيف الاختزال إلكترونين وبروتوناً، فينتج أزرق الليوكوميثيلين: غير مشحون، وغير مستوٍ، وعديم اللون عملياً. وفي المحلول القلوي تُكتب نصف المعادلة على النحو الآتي: MB+ + H2O + 2 e- ⇌ LMB + OH-. وهذه الخطوة قابلة للعكس بالكامل. اللون الأزرق يعني الحالة المؤكسدة، وانعدام اللون يعني الحالة المختزلة، ولا توجد حالة ثالثة يلزم تتبعها، وهو ما يجعل هذه التجربة مدخلاً واضحاً إلى كيمياء الأكسدة والاختزال.

الدورة: الغلوكوز يختزل، والأكسجين يعيد الأكسدة

تحتوي الزجاجة على ثلاثة مكونات فعالة: أزرق الميثيلين، والغلوكوز، وقلوي قوي، هو هيدروكسيد البوتاسيوم أو هيدروكسيد الصوديوم. يساعد الوسط القلوي على تحويل الغلوكوز إلى أشكال تفاعلية منزوعة البروتون تتبرع بالإلكترونات للصبغة:

سكر مختزل + MB (أزرق، مؤكسد) -> نواتج سكر مؤكسدة + LMB (عديم اللون)

تؤدي هذه الخطوة البطيئة إلى زوال اللون أثناء بقاء الزجاجة ساكنة. الغلوكوز هو مانح الإلكترونات التضحيتي ويُستهلك أثناء التفاعل. أما الصبغة فتنقل الإلكترونات فحسب، ولذلك تكفي بضع قطرات لزجاجة كاملة. تشير الشروحات الصفية القديمة إلى أن الغلوكوز يتحول إلى حمض الغلوكونيك. ويكفي هذا الاختصار لتوقع الملاحظات، لكن ينبغي للمدرسين معرفة أنه غير مكتمل: إذ يتتبع تحليل آلي منشور في Royal Society Open Science عملية الأكسدة عبر إينيديولات تفاعلية إلى مركب ثنائي الكربونيل يتفكك إلى أحماض أصغر.

يعكس الرجّ النتيجة المرئية. فالتحريك يذيب الأكسجين من الهواء المحصور في الحيز العلوي، ثم يعيد الأكسجين أكسدة الصبغة المختزلة:

LMB (عديم اللون) + O2 -> MB (أزرق) + نواتج أكسجين مختزلة

وعند ترك الزجاجة ساكنة، ينفد الأكسجين المذاب، فيختزل الغلوكوز الصبغة مرة أخرى، ويتلاشى اللون. وعلى مدى دورات عديدة، تكون المحصلة الكيميائية الصافية هي أكسدة السكر بواسطة الهواء، بينما تواصل الصبغة الدوران دون تغير بوصفها وسيط أكسدة واختزال. وهي وسيط وليست محفزاً بالمعنى الدقيق، لأن أكسدة السكر تحدث من دونها أيضاً، كما أن تلاشي اللون ليس تحللاً للصـبغة: فلو دُمّرت الصبغة لما أمكن إعادة لونها بالرجّ. وللحفاظ على استقرار محاليل الصبغة المخزنة بين العروض، راجع ملاحظات التعامل مع محاليل أزرق الميثيلين وتخزينها.

خطوات عرض تحت الإشراف

هذه تجربة عرض تُجرى تحت الإشراف، وليست نشاطاً منزلياً. يتطلب التعامل مع القلوي حماية العينين وارتداء القفازات، كما يجب أن يتولى المدرس التحضير والتنظيف. وتوجد صيغتان موثقتان تتفقان في البنية العامة وتختلفان في المقياس.

تستخدم ورقة التعليمات الخاصة بـالعرض كما نشره قسم الكيمياء في Indiana University ما يقارب 5 percent من هيدروكسيد البوتاسيوم، و4 percent من الغلوكوز، و1 percent من محلول أزرق الميثيلين المائي. اسكب حجماً متساوياً من محلولي القلوي والغلوكوز في زجاجة شفافة سعتها 250 أو 500 millilitre حتى تمتلئ إلى النصف، مع ترك الباقي حيزاً هوائياً. أضف بضع قطرات من الصبغة، وأغلق الزجاجة، وأحكم إغلاق موضع الوصل، ثم اتركها ساكنة حتى يزول اللون الأزرق. أما إجراء Royal Society of Chemistry فيطبق الفكرة نفسها على قارورة مسدودة سعتها 1 litre: 300 millilitres من الماء، و10 grams من الغلوكوز، و8 grams من هيدروكسيد البوتاسيوم (أو 6 grams من هيدروكسيد الصوديوم)، إضافة إلى بضعة millilitres من محلول صبغة مخفف.

لإجراء العرض، رجّ القارورة بقوة. يظهر اللون الأزرق الكامل خلال ثوانٍ. ضع القارورة جانباً وقِس زمن تلاشي اللون. وتفيد Royal Society of Chemistry بإمكان إجراء أكثر من عشرين دورة لكل تعبئة. لا تملأ الزجاجة حتى الحافة أبداً: فمن دون هواء محصور لا يوجد مخزون من الأكسجين يمكن أن يذوب في السائل.

ما الذي يجب ملاحظته، وما الذي يغير التوقيت

قِس ثلاثة أزمنة: مدة الرجّ حتى الوصول إلى اللون الأزرق الكامل (ثوانٍ)، ومدة السكون حتى يصبح السائل عديم اللون (حتى بضع دقائق)، وعدد الدورات قبل أن يبدأ اللون الأزرق بالضعف. وقبيل نهاية كل تلاشي، راقب السطح. فكثيراً ما تبقى طبقة زرقاء رقيقة عند الحد الفاصل مع الهواء، حيث يستمر الأكسجين في الانتشار إلى الداخل. ويجعل هذا الخط عملية الانتشار مرئية.

يتبع تفاعل الزجاجة الزرقاء قانون السرعة التجريبي الوارد مع إجراء Royal Society of Chemistry: rate = k[MB oxidised][glucose]OH-. ويمكن تحويل كل حد في هذه المعادلة إلى تجربة صفية. زيادة الغلوكوز أو القلوي أو الصبغة تقصر فترة بقاء اللون الأزرق. وتسرّع الحرارة تلاشي اللون، بينما تصبح القارورة الباردة بطيئة الاستجابة. ويؤدي الرجّ الأقوى إلى إذابة كمية أكبر من الأكسجين، فيدوم اللون الأزرق فترة أطول. كما يطيل الحيز الهوائي الأكبر مدة استمرار التجربة. وعندما تضعف الدورات في النهاية ويميل السائل إلى الاصفرار، يكون السكر قد استُهلك وتكون النواتج الجانبية قد تراكمت. وتمثل نقطة النهاية هذه نتيجة تستحق التسجيل بحد ذاتها.

ورقة عمل للملاحظات

انسخ هذا الجدول في الدفاتر، مع تخصيص صف لكل تجربة. تشكل ورقة العمل هذه مع مخطط التفاعل أعلاه المواد القابلة للطباعة لهذه المقالة.

أسئلة للتنبؤ، تُجاب قبل كل تجربة:

• تكون الزجاجة زرقاء مباشرة بعد الرجّ. أي شكل من الصبغة هو السائد، وما الذي أوصله إلى هذه الحالة؟
• تُترك الزجاجة ساكنة فيتلاشى اللون. أي تفاعل هو الغالب، وأي مكوّن يُستهلك؟
• بعد دورات عديدة يصبح اللون الأزرق باهتاً ومائلاً إلى الصفرة. هل يمكن إحياؤه بإضافة الصبغة أم القلوي أم الغلوكوز، ولماذا؟
• ارسم تغير اللون مع الزمن خلال دورة واحدة. وحدد الموضع الذي يدخل عنده الأكسجين إلى المحلول.

إجابات المدرس: (1) أزرق الميثيلين المؤكسد، وقد أعاد الأكسجين المذاب من الحيز الهوائي أكسدته؛ (2) الاختزال بواسطة الغلوكوز، مع استهلاك الغلوكوز؛ (3) الغلوكوز، لأنه المانح المحدِّد بينما تدور الصبغة دون تغير؛ (4) ارتفاع حاد عند الرجّ، وانخفاض تدريجي عند السكون، مع دخول الأكسجين أثناء الارتفاع فقط.

تجارب قريبة يجدر ذكرها

يستبدل عرض إشارة المرور أزرق الميثيلين بصبغة الإنديغو كارمين، وينتقل عبر الأصفر والأحمر والأخضر مع الأكسجة. ويُستخدم اسم الزجاجة الخضراء بصورة غير دقيقة: فيُقصد به أحياناً ذلك النوع، وأحياناً تركيبات أكثر ميلاً إلى اللون الأخضر مثل أنظمة حمض الأسكوربيك أو نظام تدوير إنزيمي وصفته American Chemical Society. سمِّ النوع الموجود فعلياً على طاولة المختبر حتى لا يخلط الطلاب بين ملاحظات ناتجة عن أنظمة كيميائية مختلفة.

السلامة والتعامل

يجب الإشراف طوال الوقت. استخدم واقياً للعينين من الرذاذ الكيميائي وقفازات عند التعامل مع المحلول القلوي أو رجّ الوعاء المسدود. تسبب القلويات حروقاً، وتلطخ الصبغة الجلد والأقمشة، كما أن محاليل الصبغة المحضرة بالإيثانول تضيف مذيباً قابلاً للاشتعال إلى طاولة المختبر. أبقِ الوعاء مسدوداً أثناء الرجّ. وبعد الانتهاء، احتفظ بالمحاليل المستهلكة للتعامل معها وفق قواعد المختبر المعتمدة في مؤسستك. تختلف متطلبات التخلص من النفايات القلوية المحتوية على الصبغة بين المؤسسات والولايات القضائية، لذلك اتبع الإجراء المعتمد في مختبرك بدلاً من نقل إجراء من مصدر آخر.

إذا كنت تريد قياسات رقمية بدلاً من تغيرات اللون، فإن الاختبارات الكمية لأزرق الميثيلين تبدأ من حيث ينتهي هذا العرض.

لماذا يحتفظ المدرسون بهذه الزجاجة

تجمع قارورة واحدة أربع أفكار. تصبح الأكسدة والاختزال لوناً يمكن رؤيته بدلاً من مجرد تعريف. ويبين الوسيط كيف يمكن لكمية ضئيلة من مادة أن تكشف ما يحدث في كمية كبيرة من مادة أخرى. كما ينفصل علم الحركية عن الديناميكا الحرارية بصورة مرئية: يغلب الأكسجين ما دام الرجّ يمد المحلول به، ويغلب الغلوكوز عندما يتوقف هذا الإمداد. أما الانتشار، وهو من أكثر العمليات هدوءاً في الكيمياء، فهو ما يجعل العرض كله ممكناً، لأن كل ومضة زرقاء تبدأ بعبور الأكسجين من الهواء إلى الماء. وعرض يتيح للطلاب التنبؤ بكل ذلك وقياس زمنه وشرحه باستخدام ساعة إيقاف وجدول فقط يستحق مكانه على طاولة المختبر.