Metilen mavisi və permanqanatın diffuziyası: aqar təcrübəsi nəyi göstərir

Müəllim aqar lövhəsində iki oyuq açır, birini mavi boyaqla, digərini bənövşəyi məhlulla doldurur və şagirdlərdən müşahidə etmələrini istəyir. Bir saat sonra bənövşəyi halqa daha geniş olur. Şagirdlər kalium permanqanatın daha yüngül olduğu üçün metilen mavisindən daha sürətlə diffuziya etdiyini yazırlar.

Bu cümlənin yarısı doğrudur, yarısı isə yanlış təsəvvür yaradır və maraqlı olan da məhz həmin hissədir. Bu nümayiş standart diffuziya dərsidir və məsələn, bu aqarda diffuziya laboratoriya məşğələsində təsvir olunur. Lakin şagirdlərin gördüyü molekulyar kütlənin birbaşa təsiri deyil. Onlar gel boyunca görünən rəng sərhədinin hərəkətini müşahidə edirlər; bu hərəkətə ionun ölçüsü, hidratlaşma, boyağın bağlanması, qatılıq, temperatur və sərhədin ölçülmə üsulu təsir edir.

Rəngli sərhəd diffuziya əmsalı deyil

Diffuziya həll olmuş hissəciklərin yüksək qatılıqlı sahədən aşağı qatılıqlı sahəyə yayılmasıdır. Adətən D ilə işarə olunan diffuziya əmsalı müəyyən həll olmuş maddənin müəyyən mühitdə və temperaturda nə qədər sürətlə yayıldığını təsvir edir.

Sinifdə istifadə olunan lövhə D-ni birbaşa göstərmir. O, rəngin artıq görünməyəcək qədər solğunlaşdığı sərhədi göstərir. Bu sərhəd diffuziyanın özündən əlavə, boyağın işığı udma qabiliyyətindən, işıqlandırmadan, kameranın ekspozisiyasından, oyuğa tökülən məhlulun qatılığından və xətkeşi tutan şəxsin qiymətləndirməsindən asılıdır.

Sinifdə ölçülən göstəricini olduğu kimi adlandırın: görünən diffuziya cəbhəsinin hərəkəti. Nəzəri yanaşmalar orta kvadratik yerdəyişməni D ilə Fik diffuziyası təhlilində verilən tipli münasibətlərlə əlaqələndirir. Lakin D-ni məlumatlara uyğunlaşdıraraq müəyyən etmək üçün dərsin sonunda ölçülən tək bir diametr deyil, zaman ərzində qatılıq profilləri lazımdır. Dərc olunmuş bir sinif tədqiqatında son ləkə ölçülərini müqayisə etmək əvəzinə məsafənin kvadratının zamandan asılılıq qrafiki qurularaq metilen mavisinin geldə diffuziya əmsalının təxminən 4.5 dəfə 10^-10 m^2/s olduğu müəyyən edilib. Tək bir anlıq görüntü bunu təmin edə bilməz.

Nümayişin əsas ideyası budur; qalan hər şey lövhənin bu ideyanı nə dərəcədə düzgün əks etdirməsinin təfərrüatlarıdır.

İki molekul deyil, iki rəngli ion

Həll olmuş maddələrin heç biri aqar boyunca qabın üzərində yazılmış formula şəklində hərəkət etmir. Hər ikisi suda dissosiasiya edən güclü elektrolitdir.

Kalium permanqanat (KMnO4, formul kütləsi təxminən 158.03 g/mol) kalium və permanqanat ionlarına ayrılır. Bənövşəyi rəngi daşıyan hissəcik kütləsi təxminən 118.94 g/mol olan və su örtüyü ilə əhatələnmiş MnO4^- permanqanat ionudur. Metilen mavisi xlorid (susuz duz C16H18ClN3S, təxminən 319.85 g/mol) xlorid ionuna və kütləsi təxminən 284.41 g/mol olan, həmçinin hidratlaşmış mavi üzvi MB^+ kationuna ayrılır. NIST-in metilen mavisi qeydi və ChEBI-nin metilen mavisi qeydi bu formaları sənədləşdirir, kimya və quruluş haqqında mənbə isə kationun, susuz duzun və hidratların niyə ayrı adlarla göstərilməli olduğunu izah edir.

Bundan üç nəticə çıxır.

Birincisi, 158 ilə 320-ni müqayisə etmək rəngli ionlar arasındakı həqiqi ölçü fərqini olduğundan kiçik göstərir. Çünki təxminən 119 g/mol olan bənövşəyi hissəcik təxminən 284 g/mol olan mavi kationdan xeyli kiçikdir və hər ikisinin effektiv ölçüsünü artıran hidratlaşma örtüyü var.

İkincisi, metilen mavisi kationları müxtəlif səthlərə yapışır. Qatılıq artdıqca onlar dimerlər və daha böyük aqreqatlar əmələ gətirir, həmçinin aqara adsorbsiya olunur. Aqarda adsorbsiya tədqiqatlarında həm monomerlərin, həm də dimerlərin bağlanması qeydə alınıb. Adsorbsiya olunmuş boyaq yerində qalır. O, cəbhəni irəli aparmadan geli rəngləyir.

Üçüncüsü, geniş istifadə olunan reagent tozu hidratdır, buna görə də çəkilmiş bir qram maddənin kristalında su var. Trihidrat və susuz formanın müqayisəsi bunun molyarlığı necə dəyişdirdiyini göstərir. Sinifdə düzgün müqayisə aparmaq üçün duzların bərabər molyar qatılıqlı məhlullarını hazırlayın və hansı bərk formadan istifadə olunduğunu qeyd edin.

Niyə burada daha yüngül olmaq daha sürətli olmaq demək deyil

Durulaşdırılmış maye məhlullarında kütlədən daha yaxşı ilkin model Stoks–Eynşteyn təsviridir. Bu modeldə diffuziya əmsalı temperaturla düz, özlülük və hidrodinamik radiusla tərs mütənasibdir. Hidratlaşmış ölçüsü daha kiçik olan hissəcik üstünlük qazanır. Eyni kimyəvi ailə daxilində daha aşağı kütlə çox vaxt daha kiçik ölçü ilə əlaqəli olduğundan, yüngüllük izah kimi görünə bilər. Bu, mexanizm deyil, korrelyasiyadır.

Qazların effuziya sürətinin molyar kütlənin kvadrat kökü ilə tərs mütənasib olduğunu bildirən Qrem qanunu bu lövhədə baş verənləri idarə etmir. Onun çıxarılışı qazların kinetik nəzəriyyəsinə aiddir və bu nəzəriyyə OpenStax-ın qazların effuziyası və diffuziyası haqqında izahında ümumiləşdirilib. Mayelərdə özlülük müqaviməti, hidratlaşma, forma təsirləri və hissəciklərin sıx yerləşməsi əlavə amillərdir. Gellərdə isə məsamə quruluşu, yolların dolanbaclığı, adsorbsiya və polimerlə yük qarşılıqlı təsirləri də rol oynayır.

Rəqəmlər fərqi üzə çıxarır. 158 və 320-yə tətbiq olunan Qrem qanunu sürətlər nisbətinin təxminən 1.42 olacağını proqnozlaşdırır. Suda durulaşdırılmış məhlullarda ölçülmüş diffuziya əmsalları isə başqa mənzərə göstərir: permanqanat üçün təxminən 1.6–1.8 dəfə 10^-9 m^2/s, metilen mavisi üçün isə təxminən 4.5–5 dəfə 10^-10 m^2/s; nisbət 3 və ya 4-ə daha yaxındır. Təkcə kütlə bu nisbəti izah edə bilməz. Qalan fərqi hidratlaşmış ölçü, aqreqasiya və gelə bağlanma yaradır.

Daha yüngülün daha sürətli olması fikrini müəyyən fərziyyələrə əsaslanan model kimi qəbul edin: sferik hissəciklər, bağlanmanın və aqreqasiyanın olmaması, eyni şərait. Lövhədə bu fərziyyələrdən ən azı ikisi pozulur.

Düzgün müqayisə necə aparılmalıdır

Bu nümayiş proqram təminatı kimi uğursuz ola bilər: əsas fikir düzgündür, lakin fikirdən ölçməyə keçid tələlərlə doludur. Aşağıdakı amillərin hər biri heç bir molekulyar xüsusiyyəti dəyişmədən nəticəni dəyişir.

Eyni qalınlıqda tökülmüş bir aqar partiyasından, eyni oyuq açan alətdən, bərabər maye həcmlərindən və bərabər molyar qatılıqlardan istifadə edin. Metilen mavisinin aqreqasiyasını məhdudlaşdırmaq və rəngin doymamasını təmin etmək üçün qatılıqları kifayət qədər aşağı saxlayın. Hər həll olmuş maddə üçün ən azı üç təkrar oyuq açın və onları elə məsafədə yerləşdirin ki, cəbhələr heç vaxt birləşməsin. Qabların üstünü örtün, onları üfüqi saxlayın və temperaturu sabit tutun, çünki aqarda boyaqla aparılan işlər güclü temperatur və qatılıq asılılığını göstərir. Doldurma anını başlanğıc vaxtı kimi təyin edin və ölçmədən əvvəl sərhədi müəyyənləşdirin: fotoşəkildə sabit həddən istifadə etmək sərhədi gözlə təyin etməkdən daha yaxşıdır, çünki mavi və bənövşəyi rənglərin vizual aşkarlanma hədləri fərqlidir. Hər ləkə üçün bir-birinə perpendikulyar iki diametri qeydə alın və orta radiusa çevirin, çünki radiusu diametrlə qarışdırmaq məsafənin kvadratına əsaslanan istənilən qrafikdə dördqat səhv yaradır.

İşarələr: sol paneldə hər cəbhə üçün oyuğun kənarından rəng sərhədinə qədər ölçülən radius yuxarıdan göstərilir; sağ paneldə oyuğun dərinliyi və xaricə doğru yayılan qradiyent halqaları ilə aqarın en kəsiyi göstərilir; şərti işarələr bölməsində nəzarətdə saxlanılan dəyişənlər sadalanır (aqar faizi, qalınlıq, boyağın molyarlığı, həcm, oyuğun ölçüsü, temperatur, başlanğıc vaxtı, işıqlandırma).

Diffuziyanı təqlid edən hallara diqqət yetirin. Aqarın səthinə yayılan maye sürətli diffuziya kimi görünür və kiçik aqar oyuqlarında sənədləşdirilmiş artefaktdır. Permanqanat güclü oksidləşdiricidir və üzvi maddə izləri ilə reaksiyada sərf oluna bilər; bu da onun cəbhəsini dayandırır və ya rəngsizləşdirir. Metilen mavisi oksidləşmə-reduksiya baxımından aktivdir və işıq altında və ya reduksiyaedici şəraitdə rəngini itirə bilər; metilen mavisinin və onun rəngsiz reduksiya olunmuş formasının oksidləşmə-reduksiya kimyası bu davranışı izah edir.

Həlledici barədə qısa qeyd: standart nümayişdə hər iki oyuqda sulu məhlul olur. Protokolda həlledici dəyişdirilərsə, əvvəlcə həllolma və məhlul hazırlama bələdçisinə baxın, çünki həllolma və aqreqasiya mühitdən asılı olaraq dəyişir.

Sinif müşahidəsi üçün iş vərəqi

Bu cədvəli dəftərlərə köçürün və ya hər oyuq üçün bir sətir çap edin. Hər qab üçün ayrıca cədvəl təkrar ölçmələrin düzgün qeydə alınmasını təmin edir.

Təhlil üçün hər oyuğun orta radiusunun kvadratının keçən vaxtdan asılılıq qrafikini qurun və qrafikin yanında sərhədin necə müəyyənləşdirildiyini qeyd edərək meyilləri müqayisə edin. Altı əyrinin hamısı aralarındakı fərqlərlə birlikdə göstərilərsə, şagirdlər dəyişkənliyi utanılacaq hal deyil, məlumat kimi qəbul edərlər.

Təhlükəsizlik protokolun bir hissəsidir: əlcək və qoruyucu eynək taxın, çünki metilen mavisi dərini və geyimi ləkələyir, permanqanat isə ləkələyən və qıcıqlandıran oksidləşdiricidir. Məhlulların ağıza düşməsinə yol verməyin, nimçə üzərində işləyin və lövhələri və mayeləri çanağa tökmək əvəzinə məktəbin kimyəvi tullantıların utilizasiyası qaydasına uyğun xaric edin.

Yazmağa dəyər cümlə

Bu aqar, qatılıq və temperatur şəraitində görünən permanqanat cəbhəsi adətən metilen mavisi cəbhəsindən daha sürətlə yayılır. Bu, permanqanatın daha böyük effektiv diffuziya əmsalına malik olması ilə uyğun gəlir; əsas səbəb onun hidratlaşmış ionunun xeyli kiçik olması və metilen mavisi kimi aqreqasiya etməməsi və aqara bağlanmamasıdır. Burada molekulyar kütlə həmin ölçü fərqi ilə əlaqəlidir, lakin mayelərdə və ya gellərdə diffuziya sürətini təkcə kütlə müəyyən etmir.

Bu cümləni yazan sinif iki şey öyrənmiş olur: iki rəngli ion haqqında bir fakt və nümayişin zahirən dediyinə inanmazdan əvvəl onun nəyi ölçdüyünü soruşmaq vərdişi.