Eksperiment s plavom bocom: hemija, postupak i opažanja

Prozirna boca stoji na laboratorijskom stolu. Izgleda kao da sadrži vodu. Neko je protrese i tečnost poprimi živopisnu plavu boju. Kada se odloži, plava boja nestane u roku od minute ili dvije. Ponovo je protresite i plava boja se vraća. Jedno punjenje može ponoviti ovaj ciklus dvadeset ili više puta.

Učenici obično pretpostave da se nešto skrivalo u boci ili da je protresanje pomiješalo dva sloja. Obje pretpostavke propadaju na poučan način. Boja potiče od jedne boje, metilenskog plavog, prisutnog u cijeloj tečnosti. Mijenja se broj elektrona koje molekula boje nosi. Demonstracija čini redoks ciklus vidljivim, a svaka varijabla koju razred može posmatrati, vrijeme protresanja, temperatura, koncentracija, odgovara jednom članu u hemijskom opisu.

Dva oblika iste boje

Oksidirano metilensko plavo je ravan, pozitivno nabijen prstenasti sistem. Snažno apsorbira oko 600 do 700 nanometara, što oko vidi kao tamnoplavu boju. Dva oblika i njihovi spektri obrađeni su u vodiču o strukturi i svojstvima metilenskog plavog.

Redukcija dodaje dva elektrona i jedan proton, pri čemu nastaje leukometilensko plavo: nenabijeno, neplanarno i praktično bezbojno. U alkalnoj otopini polureakcija glasi MB+ + H2O + 2 e- ⇌ LMB + OH-. Ovaj korak je potpuno reverzibilan. Plava boja znači oksidirano stanje, bezbojno znači reducirano stanje i nema trećeg stanja koje treba pratiti, zbog čega je ovo jasan prvi susret s redoks hemijom.

Ciklus: glukoza reducira, kisik ponovo oksidira

Boca sadrži tri aktivna sastojka: metilensko plavo, glukozu i jaku bazu, kalijev ili natrijev hidroksid. Baza potiče nastanak reaktivnih deprotoniranih oblika glukoze koji predaju elektrone boji:

reducirajući šećer + MB (plavo, oksidirano) -> oksidirani produkti šećera + LMB (bezbojno)

Ovaj sporiji korak uklanja boju dok boca miruje. Glukoza je žrtveni donor i troši se. Boja samo prenosi elektrone, pa je nekoliko kapi dovoljno za cijelu bocu. Stariji opisi za nastavu navode da glukoza postaje glukonska kiselina. Ta skraćena interpretacija predviđa opažanja, ali nastavnici trebaju znati da nije potpuna: mehanistička analiza objavljena u časopisu Royal Society Open Science prati oksidaciju preko reaktivnog enediolata do dikarbonilnog spoja koji se fragmentira u manje kiseline.

Protresanje preokreće vidljivi ishod. Miješanjem se otapa kisik iz zraka zarobljenog u prostoru iznad tečnosti, a kisik ponovo oksidira reduciranu boju:

LMB (bezbojno) + O2 -> MB (plavo) + reducirani produkti kisika

Kada boca miruje, otopljeni kisik se potroši, glukoza ponovo reducira boju i boja blijedi. Tokom mnogih ciklusa ukupni hemijski proces je oksidacija šećera zrakom, dok boja ostaje nepromijenjena i kruži između redoks stanja kao redoks medijator. Ona je medijator, a ne strogo katalizator, jer se oksidacija šećera odvija i bez nje, a blijeđenje nije razgradnja: uništena boja ne bi se mogla ponovo vratiti protresanjem. Za održavanje stabilnosti zaliha boje između demonstracija pogledajte napomene o rukovanju i skladištenju otopina metilenskog plavog.

Postupak za nadziranu demonstraciju

Ovo je nadzirana demonstracija, a ne kućna aktivnost. Baza zahtijeva zaštitu za oči, rukavice i nastavnika koji je odgovoran za pripremu i čišćenje. Dvije dokumentirane formulacije imaju istu osnovnu strukturu, ali se razlikuju po razmjeri.

Uputstvo za demonstraciju koju je objavio odsjek za hemiju Univerziteta Indiana koristi približno 5 posto kalijevog hidroksida, 4 posto glukoze i 1 posto vodene otopine metilenskog plavog. Ulijte jednake zapremine otopina baze i glukoze u prozirnu bocu od 250 ili 500 mililitara dok ne bude napola puna, ostavljajući ostatak kao prostor sa zrakom. Dodajte nekoliko kapi boje, zatvorite bocu, osigurajte spoj i ostavite je da miruje dok plava boja ne nestane. Postupak Royal Society of Chemistry istu ideju povećava na začepljenu tikvicu od 1 litre: 300 mililitara vode, 10 grama glukoze, 8 grama kalijevog hidroksida (ili 6 grama natrijevog hidroksida), uz nekoliko mililitara razrijeđene matične otopine boje.

Za izvođenje snažno protresite. Puna plava boja razvija se u roku od nekoliko sekundi. Odložite tikvicu i mjerite vrijeme blijeđenja. Royal Society of Chemistry navodi više od dvadeset ciklusa po jednom punjenju. Nikada ne punite bocu do vrha: bez zarobljenog zraka nema rezerve kisika koja se može otopiti.

Šta posmatrati i šta mijenja vrijeme reakcije

Mjerite tri stvari: protresanje do pune plave boje (sekunde), mirovanje do bezbojnog stanja (do nekoliko minuta) i broj ciklusa prije nego što plava boja oslabi. Pred kraj svakog blijeđenja posmatrajte površinu. Tanak plavi sloj često se zadržava na granici sa zrakom, gdje kisik nastavlja difundirati u tečnost. Ta linija čini difuziju vidljivom.

Reakcija plave boce slijedi empirijski zakon brzine naveden uz postupak Royal Society of Chemistry: rate = k[MB oxidised][glucose]OH-. Svaki član predstavlja mogući učionički eksperiment. Više glukoze, baze ili boje skraćuje period plave boje. Toplota ubrzava blijeđenje; hladna tikvica reagira tromije. Snažnije protresanje otapa više kisika, pa plava boja traje duže. Veći prostor sa zrakom produžava trajanje ciklusa. Kada ciklusi konačno oslabe i tečnost požuti, šećer je potrošen, a sporedni produkti su se nakupili. I ta završna tačka je rezultat vrijedan bilježenja.

Radni list za opažanja

Prepišite ovu tabelu u bilježnice, po jedan red za svaki pokušaj. Ovaj radni list i gornji dijagram reakcije predstavljaju materijale za štampanje uz ovaj članak.

Pitanja za predviđanje, na koja treba odgovoriti prije svakog pokušaja:

• Boca je plava odmah nakon protresanja. Koji oblik boje dominira i šta ga je dovelo u to stanje?
• Boca miruje i boja blijedi. Koja reakcija prevladava i koji se sastojak troši?
• Nakon mnogo ciklusa plava boja postaje slaba i žućkasta. Treba li je obnoviti dodavanjem boje, baze ili glukoze, i zašto?
• Nacrtajte promjenu boje u odnosu na vrijeme tokom jednog ciklusa. Označite gdje kisik ulazi u otopinu.

Odgovori za nastavnika: (1) oksidirano metilensko plavo, ponovo oksidirano otopljenim kisikom iz prostora iznad tečnosti; (2) redukcija glukozom, pri čemu se glukoza troši; (3) glukoza, ograničavajući donor, jer boja kruži nepromijenjena; (4) nagli porast pri protresanju, postepen pad tokom mirovanja, ulazak kisika samo tokom porasta.

Srodne demonstracije koje vrijedi imenovati

Demonstracija semafora koristi indigo karmin i pri oksigenaciji prolazi kroz žutu, crvenu i zelenu boju. Naziv zelena boca koristi se neprecizno: ponekad za tu varijantu, a ponekad za formulacije koje daju zelenije nijanse, poput sistema s askorbinskom kiselinom ili enzimskog cikličnog sistema koji je opisalo American Chemical Society. Navedite tačno onu varijantu koja se nalazi na laboratorijskom stolu kako učenici ne bi spajali opažanja iz različitih hemijskih sistema.

Sigurnost i rukovanje

Nadzor je potreban tokom cijelog postupka. Pri rukovanju alkalnom otopinom ili protresanju začepljene posude koristite zaštitu za oči od prskanja hemikalija i rukavice. Baza može izazvati hemijske opekotine, boja ostavlja mrlje na koži i tkanini, a matične otopine boje pripremljene u etanolu uvode zapaljivo otapalo na laboratorijski sto. Posuda tokom protresanja treba ostati zatvorena. Nakon toga sačuvajte iskorištene otopine radi zbrinjavanja u skladu s pravilima vaše ustanove. Zahtjevi za alkalni otpad koji sadrži boju razlikuju se između ustanova i jurisdikcija, zato slijedite postupak koji propisuje vaš laboratorij umjesto da preuzimate postupak iz drugog izvora.

Ako želite brojčane podatke umjesto promjena boje, kvantitativne analize metilenskog plavog nastavljaju tamo gdje ova demonstracija završava.

Zašto nastavnici zadržavaju ovu bocu

Jedna tikvica objedinjuje četiri ideje. Redoks postaje boja umjesto definicije. Medijator pokazuje kako trag jedne supstance može izvještavati o velikoj količini druge. Kinetika se vidljivo odvaja od termodinamike: kisik prevladava dok ga protresanje dovodi u otopinu, a glukoza prevladava kada dotok prestane. A difuzija, jedan od najtiših procesa u hemiji, omogućava cijelu demonstraciju, jer svaki plavi bljesak počinje prelaskom kisika iz zraka u vodu. Demonstracija koja učenicima omogućava da sve to predvide, izmjere i objasne pomoću štoperice i tabele zaslužuje svoje mjesto na laboratorijskom stolu.