Эксперымент з сіняй бутэлькай: хімія, методыка і назіранні

На стале стаіць празрыстая бутэлька. На выгляд у ёй вада. Хтосьці ўстрэсвае яе, і вадкасць становіцца ярка-сіняй. Калі паставіць бутэльку, сіні колер знікае за хвіліну-дзве. Устрэсніце яе зноў — і сіні колер вяртаецца. З адной порцыяй раствору гэта можна паўтарыць дваццаць і больш разоў.

Навучэнцы звычайна мяркуюць, што ў бутэльцы нешта было схавана або што ўстрэсванне змяшала два слаі. Абедзве здагадкі не спраўджваюцца, і гэта мае навучальную каштоўнасць. Колер стварае адзін фарбавальнік — метыленавы сіні, які прысутнічае ва ўсім растворы. Змяняецца колькасць электронаў, якія нясе фарбавальнік. Гэтая дэманстрацыя робіць акісляльна-аднаўленчы цыкл бачным, а кожная змена, якую можа назіраць клас — час устрэсвання, тэмпература, канцэнтрацыя — адпавядае пэўнаму складніку хімічнага працэсу.

Дзве формы аднаго фарбавальніка

Акіслены метыленавы сіні — гэта плоская станоўча зараджаная кальцавая сістэма. Ён моцна паглынае святло ў дыяпазоне прыкладна ад 600 да 700 нанаметраў, што вока ўспрымае як насычаны сіні колер. Абедзве формы і іх спектры разглядаюцца ў дапаможніку па структуры і ўласцівасцях метыленавага сіняга.

Пры аднаўленні далучаюцца два электроны і пратон, у выніку чаго ўтвараецца лейкаметыленавы сіні: незараджаны, неплоскі і фактычна бясколерны. У шчолачным растворы паўрэакцыя запісваецца так: MB+ + H2O + 2 e- ⇌ LMB + OH-. Гэты этап цалкам абарачальны. Сіні колер азначае акісленую форму, бясколернасць — адноўленую, а трэцяга стану, за якім трэба было б сачыць, няма. Менавіта таму гэта зручны першы прыклад для знаёмства з акісляльна-аднаўленчай хіміяй.

Цыкл: глюкоза аднаўляе, кісларод паўторна акісляе

У бутэльцы знаходзяцца тры дзейныя кампаненты: метыленавы сіні, глюкоза і моцная шчолач — гідраксід калію або натрыю. Шчолач спрыяе пераходу глюкозы ў рэакцыйназдольныя дэпратаніраваныя формы, якія перадаюць электроны фарбавальніку:

аднаўляльны цукар + MB (сіні, акіслены) -> акісленыя прадукты цукру + LMB (бясколерны)

Гэты павольны этап прыводзіць да знікнення колеру, пакуль бутэлька стаіць. Глюкоза з'яўляецца ахвярным донарам і расходуецца. Фарбавальнік толькі пераносіць электроны, таму некалькіх кропель дастаткова для цэлай бутэлькі. У старых апісаннях для заняткаў гаворыцца, што глюкоза ператвараецца ў глюконавую кіслату. Такое спрашчэнне дазваляе прадказаць назіранні, але выкладчыкам варта ведаць, што яно няпоўнае: механістычны аналіз, апублікаваны ў Royal Society Open Science, прасочвае акісленне праз рэакцыйназдольны энедыалят да дыкарбанільнага злучэння, якое распадаецца на меншыя кіслоты.

Устрэсванне змяняе бачны вынік на супрацьлеглы. Пры перамешванні кісларод з паветра ў газавай прасторы над растворам раствараецца ў вадкасці і паўторна акісляе адноўлены фарбавальнік:

LMB (бясколерны) + O2 -> MB (сіні) + адноўленыя прадукты кіслароду

Калі пакінуць бутэльку ў спакоі, раствораны кісларод вычэрпваецца, глюкоза зноў аднаўляе фарбавальнік, і колер знікае. На працягу многіх цыклаў выніковым хімічным працэсам з'яўляецца акісленне цукру кіслародам паветра, а фарбавальнік без змен цыркулюе паміж формамі як акісляльна-аднаўленчы медыятар. Гэта менавіта медыятар, а не каталізатар у строгім сэнсе, бо акісленне цукру адбываецца і без яго; знікненне колеру таксама не з'яўляецца раскладаннем, бо разбураны фарбавальнік нельга было б аднавіць устрэсваннем. Пра тое, як захоўваць растворы фарбавальніка стабільнымі паміж дэманстрацыямі, гл. нататкі пра абыходжанне і захоўванне раствораў метыленавага сіняга.

Методыка дэманстрацыі пад наглядам

Гэта дэманстрацыя, якая павінна праводзіцца пад наглядам, а не хатні занятак. Пры працы са шчолаччу неабходныя ахоўныя акуляры, пальчаткі і выкладчык, які адказвае за падрыхтоўку і ўборку. Дзве задакументаваныя методыкі маюць аднолькавую структуру, але розны маштаб.

Інструкцыя да дэманстрацыі, апублікаванай кафедрай хіміі Indiana University, выкарыстоўвае прыблізна 5 працэнтаў гідраксіду калію, 4 працэнты глюкозы і 1-працэнтны водны раствор метыленавага сіняга. Наліце роўныя аб'ёмы раствораў шчолачы і глюкозы ў празрыстую бутэльку аб'ёмам 250 або 500 мілілітраў так, каб яна была запоўнена напалову, а астатняя частка заставалася паветранай прасторай. Дадайце некалькі кропель фарбавальніка, закрыйце бутэльку, герметызуйце месца злучэння і пакіньце стаяць, пакуль сіні колер не знікне. Методыка Royal Society of Chemistry выкарыстоўвае тую самую ідэю ў колбе з коркам аб'ёмам 1 літр: 300 мілілітраў вады, 10 грамаў глюкозы, 8 грамаў гідраксіду калію (або 6 грамаў гідраксіду натрыю), а таксама некалькі мілілітраў разведзенага зыходнага раствору фарбавальніка.

Для правядзення дэманстрацыі энергічна ўстрэсвайце колбу. Насычаны сіні колер з'яўляецца за некалькі секунд. Пастаўце колбу і замерце час да знікнення колеру. Royal Society of Chemistry паведамляе пра больш чым дваццаць цыклаў з адной порцыяй раствору. Ніколі не запаўняйце бутэльку да краёў: без паветранай прасторы ўнутры не будзе запасу кіслароду, які можа растварыцца.

Што назіраць і што змяняе працягласць працэсу

Вымярайце тры параметры: час устрэсвання да поўнага сіняга колеру (секунды), час у стане спакою да абясколервання (да некалькіх хвілін) і колькасць цыклаў да таго, як сіні колер пачне слабець. Бліжэй да канца кожнага абясколервання назірайце за паверхняй. На мяжы з паветрам часта некаторы час захоўваецца тонкі сіні слой, бо туды працягвае дыфундаваць кісларод. Гэта наглядная дэманстрацыя дыфузіі.

Рэакцыя сіняй бутэлькі падпарадкоўваецца эмпірычнаму закону хуткасці, прыведзенаму ў методыцы Royal Society of Chemistry: rate = k[MB oxidised][glucose]OH-. Кожны множнік можна даследаваць у асобным доследзе. Большая колькасць глюкозы, шчолачы або фарбавальніка скарачае час, на працягу якога раствор застаецца сінім. Павышэнне тэмпературы паскарае абясколерванне; у халоднай колбе працэс запавольваецца. Больш інтэнсіўнае ўстрэсванне растварае больш кіслароду, таму сіні колер захоўваецца даўжэй. Большая паветраная прастора павялічвае працягласць серыі цыклаў. Калі цыклы ўрэшце слабнуць, а вадкасць жаўцее, цукар вычарпаны і назапасіліся пабочныя прадукты. Гэты канчатковы стан таксама варта зафіксаваць як вынік.

Ліст назіранняў

Перапішыце гэтую табліцу ў сшыткі, па адным радку на кожны дослед. Гэты ліст разам са схемай рэакцыі вышэй з'яўляюцца матэрыяламі гэтага артыкула, прыдатнымі для друку.

Пытанні для прагназавання, на якія трэба адказаць перад кожным доследам:

• Адразу пасля ўстрэсвання бутэлька сіняя. Якая форма фарбавальніка пераважае і што прывяло яе ў гэты стан?
• Бутэлька стаіць, і колер знікае. Якая рэакцыя пераважае і які кампанент расходуецца?
• Пасля многіх цыклаў сіні колер становіцца слабым і жаўтаватым. Што трэба дадаць для яго аднаўлення — фарбавальнік, шчолач або глюкозу — і чаму?
• Намалюйце графік залежнасці колеру ад часу для аднаго цыклу. Адзначце, калі кісларод трапляе ў раствор.

Адказы для выкладчыка: (1) акіслены метыленавы сіні, паўторна акіслены раствораным кіслародам з паветранай прасторы; (2) аднаўленне глюкозай, пры якім глюкоза расходуецца; (3) глюкоза, лімітавальны донар, бо фарбавальнік цыркулюе без змен; (4) рэзкі рост пры ўстрэсванні, паступовае зніжэнне ў стане спакою, паступленне кіслароду толькі падчас росту.

Блізкія варыянты, якія варта ведаць

У дэманстрацыі «святлафор» замест метыленавага сіняга выкарыстоўваецца індыгакармін, які пры насычэнні кіслародам паслядоўна пераходзіць праз жоўты, чырвоны і зялёны колеры. Назва «зялёная бутэлька» выкарыстоўваецца неадназначна: часам для гэтага варыянту, а часам для больш «зялёных» складаў, напрыклад сістэм з аскарбінавай кіслатой або ферментатыўнай цыклічнай сістэмы, апісанай American Chemical Society. Дакладна называйце варыянт, які знаходзіцца на стале, каб навучэнцы не змешвалі назіранні з розных хімічных сістэм.

Бяспека і абыходжанне

Пастаянны нагляд. Пры працы са шчолачным растворам або ўстрэсванні закрытай коркам ёмістасці неабходныя ахоўныя акуляры ад хімічных пырскаў і пальчаткі. Шчолач выклікае апёкі, фарбавальнік пакідае плямы на скуры і тканіне, а зыходныя растворы фарбавальніка, прыгатаваныя на этаноле, дадаюць на працоўны стол гаручы растваральнік. Падчас устрэсвання ёмістасць павінна заставацца закрытай. Пасля завяршэння захоўвайце адпрацаваныя растворы для далейшага абыходжання ў адпаведнасці з правіламі вашай установы. Патрабаванні да адходаў, якія змяшчаюць шчолач і фарбавальнік, адрозніваюцца паміж установамі і юрысдыкцыямі, таму выконвайце методыку, прынятую ў вашай лабараторыі, а не пераносьце яе з іншай крыніцы.

Калі патрэбны колькасныя даныя, а не толькі змены колеру, наступным крокам пасля гэтай дэманстрацыі могуць быць колькасныя метады аналізу метыленавага сіняга.

Чаму выкладчыкі працягваюць выкарыстоўваць гэтую бутэльку

Адна колба аб'ядноўвае чатыры ідэі. Акісляльна-аднаўленчы працэс становіцца колерам, а не толькі азначэннем. Медыятар паказвае, як следавая колькасць аднаго рэчыва можа паведамляць пра стан значна большай колькасці іншага. Кінетыка наглядна аддзяляецца ад тэрмадынамікі: кісларод пераважае, пакуль устрэсванне забяспечвае яго паступленне, а глюкоза — калі гэтае паступленне спыняецца. І дыфузія, адзін з самых непрыкметных працэсаў у хіміі, забяспечвае ўсё дзеянне, бо кожная сіняя успышка пачынаецца з пераходу кіслароду з паветра ў ваду. Дэманстрацыя, якая дазваляе навучэнцам прадказваць, вымяраць час і тлумачыць усё гэта з дапамогай секундамера і табліцы, цалкам апраўдвае сваё месца на лабараторным стале.