Article
L'experiment de l'ampolla blava: química, procediment i observacions
Una ampolla transparent reposa sobre el banc de laboratori. Sembla aigua. Algú l'agita i el líquid es torna d'un blau intens. Quan es deixa reposar, el blau desapareix en un o dos minuts. Si es torna a agitar, el blau reapareix. Amb una sola preparació, aquest procés es pot repetir vint vegades o més.
Els estudiants solen suposar que hi havia alguna cosa amagada dins l'ampolla o que l'agitació barrejava dues capes. Totes dues hipòtesis fallen d'una manera instructiva. El color prové d'un únic colorant, el blau de metilè, present a tot el líquid. El que canvia és quants electrons porta el colorant. La demostració fa visible un cicle redox, i cada variable que la classe pot observar —temps d'agitació, temperatura, concentració— correspon a un terme de la química.
Dues formes del mateix colorant
El blau de metilè oxidat és un sistema d'anells pla i amb càrrega positiva. Absorbeix intensament al voltant de 600 a 700 nanometres, cosa que l'ull percep com un blau profund. Les dues formes i els seus espectres es descriuen a la guia sobre l'estructura i les propietats del blau de metilè.
La reducció afegeix dos electrons i un protó, i produeix leucometilè blau: sense càrrega, no pla i pràcticament incolor. En solució alcalina, la semireacció és MB+ + H2O + 2 e- ⇌ LMB + OH-. El procés és completament reversible. Blau significa oxidat, incolor significa reduït, i no hi ha cap tercer estat que calgui seguir, fet que converteix aquesta demostració en una introducció clara a la química redox.
El cicle: la glucosa redueix, l'oxigen reoxida
L'ampolla conté tres ingredients actius: blau de metilè, glucosa i un àlcali fort, hidròxid de potassi o de sodi. L'àlcali afavoreix la formació de formes desprotonades reactives de la glucosa que donen electrons al colorant:
sucre reductor + MB (blau, oxidat) -> productes de sucre oxidat + LMB (incolor)
Aquest pas lent fa desaparèixer el color mentre l'ampolla està en repòs. La glucosa és el donador sacrificial i es consumeix. El colorant només transporta electrons, de manera que unes poques gotes són suficients per a tota una ampolla. Les explicacions tradicionals per a l'aula afirmen que la glucosa es converteix en àcid glucònic. Aquesta simplificació prediu les observacions, però el professorat ha de saber que és incompleta: una anàlisi mecanística publicada a Royal Society Open Science segueix l'oxidació a través d'un enediolat reactiu fins a un dicarbonil que es fragmenta en àcids més petits.
L'agitació inverteix el resultat visible. L'agitació dissol l'oxigen de l'aire atrapat a l'espai de cap, i l'oxigen reoxida el colorant reduït:
LMB (incolor) + O2 -> MB (blau) + productes reduïts de l'oxigen
Quan es deixa reposar, l'oxigen dissolt s'esgota, la glucosa torna a reduir el colorant i el color s'esvaeix. Al llarg de molts cicles, la química neta és l'oxidació del sucre per l'aire, mentre que el colorant es manté inalterat i va alternant com a mediador redox. És un mediador i no un catalitzador estricte, ja que l'oxidació del sucre té lloc sense ell, i la pèrdua de color no és una descomposició: un colorant destruït no podria recuperar-se en agitar-lo. Per mantenir estables les solucions mare de colorant entre demostracions, consulteu les notes sobre la manipulació i l'emmagatzematge de solucions de blau de metilè.
Procediment per a una demostració supervisada
Aquesta és una demostració supervisada, no una activitat domèstica. L'àlcali exigeix protecció ocular, guants i un instructor responsable de la preparació i la neteja. Dues formulacions documentades coincideixen en l'estructura i difereixen en l'escala.
El full d'instruccions de la demostració publicada pel departament de química de la Indiana University utilitza aproximadament un 5 percent d'hidròxid de potassi, un 4 percent de glucosa i un 1 percent de blau de metilè aquós. Aboqueu volums iguals de les solucions d'àlcali i glucosa en una ampolla transparent de 250 o 500 millilitre fins que quedi mig plena, deixant la resta com a espai de cap amb aire. Afegiu-hi unes gotes de colorant, tapeu-la, segelleu la junta i deixeu-la reposar fins que el blau desaparegui. El procediment de la Royal Society of Chemistry aplica la mateixa idea a un matràs tapat d'1 litre: 300 millilitres d'aigua, 10 grams de glucosa, 8 grams d'hidròxid de potassi (o 6 grams d'hidròxid de sodi), més uns quants millilitres d'una solució mare diluïda del colorant.
Per fer la demostració, agiteu vigorosament. El blau complet apareix en pocs segons. Deixeu el matràs sobre la taula i cronometreu la desaparició del color. La Royal Society of Chemistry indica més de vint cicles per preparació. No ompliu mai l'ampolla fins a dalt: sense aire atrapat no hi ha cap reserva d'oxigen que es pugui dissoldre.
Què cal observar i què modifica els temps
Cronometreu tres coses: el temps d'agitació fins al blau complet (segons), el temps en repòs fins que es torna incolor (fins a uns quants minuts) i el nombre de cicles abans que el blau s'afebleixi. Cap al final de cada desaparició del color, observeu la superfície. Sovint queda una fina capa blava a la interfície amb l'aire, on l'oxigen continua difonent-se. Aquesta línia és la difusió feta visible.
La reacció de l'ampolla blava segueix la llei de velocitat empírica indicada al procediment de la Royal Society of Chemistry: rate = k[MB oxidised][glucose]OH-. Cada terme es pot convertir en un experiment d'aula. Més glucosa, àlcali o colorant escurça el període blau. La calor accelera la desaparició del color; un matràs fred es torna lent. Una agitació més intensa dissol més oxigen, de manera que el blau dura més. Un espai de cap més gran allarga la durada de l'experiment. Quan finalment els cicles s'afebleixen i el líquid es torna groguenc, el sucre s'ha esgotat i s'han acumulat productes secundaris. Aquest punt final és, per si mateix, un resultat que val la pena registrar.
Full de treball d'observació
Copieu aquesta taula als quaderns, una fila per assaig. Aquest full de treball i el diagrama de reacció anterior són els recursos imprimibles d'aquest article.
| Assaig | Condició modificada | Temps d'agitació (s) | Temps fins al blau complet (s) | Temps fins a incolor | Notes (intensitat del color, temperatura) |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | referència | ||||
| 2 | |||||
| 3 |
Preguntes de predicció, que cal respondre abans de cada assaig:
- L'ampolla és blava just després d'agitar-la. Quina forma del colorant predomina i què l'ha portat a aquest estat?
- L'ampolla reposa i perd el color. Quina reacció predomina i quin ingredient es consumeix?
- Després de molts cicles, el blau es torna feble i groguenc. Cal recuperar-lo amb colorant, àlcali o glucosa, i per què?
- Dibuixeu el color en funció del temps durant un cicle. Marqueu on entra l'oxigen a la solució.
Respostes per a l'instructor: (1) blau de metilè oxidat, reoxidat per l'oxigen dissolt de l'espai de cap; (2) reducció per la glucosa, amb consum de glucosa; (3) glucosa, el donador limitant, ja que el colorant completa el cicle sense canvis; (4) augment brusc amb l'agitació, disminució gradual en repòs, entrada d'oxigen només durant l'augment.
Parents propers que convé conèixer
La demostració del semàfor substitueix el blau de metilè per carmí d'indi i passa per groc, vermell i verd amb l'oxigenació. El nom ampolla verda s'utilitza de manera poc precisa: de vegades per a aquesta variant, i de vegades per a formulacions més verdes, com ara sistemes amb àcid ascòrbic o un sistema de cicle enzimàtic descrit per l'American Chemical Society. Anomeneu explícitament la variant que hi ha al banc de laboratori perquè els estudiants no barregin observacions de químiques diferents.
Seguretat i manipulació
Supervisió en tot moment. Protecció ocular contra esquitxades químiques i guants per manipular la solució alcalina o agitar el recipient tapat. L'àlcali provoca cremades, el colorant taca la pell i els teixits, i les solucions mare de colorant preparades amb etanol afegeixen un dissolvent inflamable al banc de laboratori. Manteniu el recipient tapat mentre l'agiteu. Després, conserveu les solucions utilitzades perquè es gestionin d'acord amb les normes de laboratori de la vostra institució. Els requisits per als residus alcalins que contenen colorant varien entre institucions i jurisdiccions, de manera que cal seguir el procediment establert pel vostre laboratori en lloc d'importar-ne un d'una altra font.
Si voleu dades numèriques en lloc de canvis de color, els assaigs quantitatius de blau de metilè continuen allà on acaba aquesta demostració.
Per què els docents continuen utilitzant aquesta ampolla
Un sol matràs concentra quatre idees. El redox es converteix en un color en lloc d'una definició. Un mediador mostra com una quantitat mínima d'una substància pot informar sobre una gran quantitat d'una altra. La cinètica es distingeix visualment de la termodinàmica: l'oxigen predomina mentre l'agitació el subministra, i la glucosa predomina quan aquest subministrament s'atura. I la difusió, el procés més silenciós de la química, fa possible tota la demostració, perquè cada aparició del blau comença amb l'oxigen passant de l'aire a l'aigua. Una demostració que permet als estudiants predir, cronometrar i explicar tot això amb un cronòmetre i una taula s'ha guanyat el seu lloc al banc de laboratori.