Trylediad glas methylen a phermanganad: beth mae'r arbrawf agar yn ei ddangos

Mae athro yn torri dau dwll mewn plât agar, yn llenwi un â llifyn glas a'r llall â hydoddiant porffor, ac yn dweud wrth y dosbarth am wylio. Awr yn ddiweddarach mae'r cylch porffor yn lletach. Mae'r dosbarth yn ysgrifennu bod permanganad potasiwm yn tryledu'n gyflymach na glas methylen oherwydd ei fod yn ysgafnach.

Mae'r frawddeg honno'n hanner cywir ac yn hanner camarweiniol, a'r hanner camarweiniol yw'r rhan ddiddorol. Mae'r arddangosiad yn wers safonol ar drylediad, a ddisgrifir er enghraifft yn yr ymarfer labordy hwn ar drylediad mewn agar, ond nid effaith pwysau moleciwlaidd yw'r hyn y mae'r myfyrwyr yn ei weld. Maent yn gweld ymyl lliw gweladwy yn symud drwy gel, a'i symudiad yn cael ei lywio gan faint yr ïonau, hydradiad, rhwymo'r llifyn, crynodiad, tymheredd, a'r ffordd y caiff yr ymyl ei fesur.

Nid yr ymyl lliw yw'r cyfernod trylediad

Trylediad yw ymlediad gronynnau toddedig o grynodiad uchel i grynodiad isel. Mae'r cyfernod trylediad, a ysgrifennir fel arfer yn D, yn disgrifio pa mor gyflym y mae'r ymlediad hwnnw'n digwydd ar gyfer hydoddyn penodol mewn cyfrwng penodol ar dymheredd penodol.

Nid yw plât dosbarth yn dangos D yn uniongyrchol. Mae'n dangos ffin lle mae'r lliw yn mynd yn rhy wan i'w weld. Mae'r ffin honno'n dibynnu ar amsugnedd y llifyn, y goleuo, gosodiad datguddiad y camera, y crynodiad a roddwyd yn y twll, a barn y person sy'n dal y pren mesur, yn ogystal ag ar y trylediad ei hun.

Galwch ddarlleniad y dosbarth yr hyn ydyw: symudiad blaen trylediad gweladwy. Mae triniaethau ffurfiol yn cysylltu dadleoliad sgwâr cymedrig â D drwy berthnasoedd o'r ffurf a geir mewn dadansoddiad o drylediad Fickaidd, ond mae angen proffiliau crynodiad dros amser i ffitio D, nid un diamedr ar ddiwedd y wers. Mewn un astudiaeth ddosbarth gyhoeddedig, amcangyfrifwyd trylededd glas methylen o tua 4.5 gwaith 10^-10 m^2/s mewn gel drwy blotio pellter wedi'i sgwario yn erbyn amser yn hytrach na chymharu meintiau terfynol y smotiau. Ni all un ciplun wneud y gwaith hwnnw.

Dyma'r cysyniad y tu ôl i'r arddangosiad, ac mae popeth arall yn fanylyn ynghylch pa mor ffyddlon y mae'r plât yn ei gynrychioli.

Dau ïon lliw, nid dau foleciwl

Nid yw'r naill hydoddyn na'r llall yn teithio drwy agar ar ffurf y fformiwla sydd wedi'i hargraffu ar y botel. Mae'r ddau yn electrolytau cryf sy'n daduno mewn dŵr.

Mae permanganad potasiwm (KMnO4, màs fformiwla tua 158.03 g/mol) yn gwahanu'n ïonau potasiwm ac ïonau permanganad. Yr ïon permanganad MnO4^-, â màs o tua 118.94 g/mol ac wedi'i amgylchynu gan blisgyn o ddŵr, yw'r gronyn porffor sy'n teithio. Mae clorid glas methylen (yr halen anhydrus C16H18ClN3S, tua 319.85 g/mol) yn gwahanu'n glorid a'r catïon organig glas MB^+, â màs o tua 284.41 g/mol, sydd hefyd wedi'i hydradu. Mae cofnod NIST ar las methylen a chofnod ChEBI ar las methylen yn dogfennu'r ffurfiau hyn, ac mae'r cyfeirnod ar gemeg ac adeiledd yn esbonio pam mae angen enwau ar wahân ar y catïon, yr halen anhydrus, a'r hydradau.

Mae tri chanlyniad yn dilyn.

Yn gyntaf, mae cymharu 158 â 320 yn tanamcangyfrif y gwahaniaeth maint gwirioneddol rhwng yr ïonau lliw, gan fod y rhywogaeth borffor, ar tua 119 g/mol, yn llawer llai na'r catïon glas, ar tua 284 g/mol, ac mae gan y ddau blisgynnau hydradiad sy'n cynyddu eu maint effeithiol.

Yn ail, mae catïonau glas methylen yn glynu wrth bethau. Maent yn ffurfio dimerau ac agregau mwy wrth i'r crynodiad godi, ac maent yn arsugno ar agar, gyda rhwymo monomerau a dimerau ill dau wedi'i gofnodi mewn astudiaethau arsugniad ar agar. Mae llifyn wedi'i arsugno yn aros yn llonydd. Mae'n lliwio'r gel heb symud y blaen ymlaen.

Yn drydydd, hydrad yw'r powdr adweithydd cyffredin, felly mae gram wedi'i bwyso yn cynnwys dŵr yn y grisial. Mae'r gymhariaeth rhwng y trihydrad a'r ffurf anhydrus yn dangos sut mae hynny'n newid y molaredd. I wneud cymhariaeth deg yn y dosbarth, paratowch hydoddiannau â chrynodiadau molar cyfartal o'r halwynau a chofnodwch pa ffurf solid a ddefnyddiwyd.

Pam nad yw ysgafnach yn golygu cyflymach yma

Mewn hylifau gwanedig, mae model Stokes-Einstein yn fan cychwyn gwell na màs: ynddo, mae trylededd yn graddio gyda'r tymheredd wedi'i rannu â gludedd a radiws hydrodynamig. Y maint hydradol llai sy'n ennill. Mae màs is yn aml yn cydberthyn â maint llai o fewn un teulu cemegol, felly gall bod yn ysgafnach edrych fel esboniad. Cydberthyniad ydyw, nid y mecanwaith.

Nid yw deddf Graham, sy'n datgan bod cyfraddau allrediad nwyon yn graddio â gwrthdro ail isradd y màs molar, yn llywodraethu'r plât hwn. Mae ei tharddiad yn perthyn i ddamcaniaeth ginetig nwyon, a grynhoir yn y drafodaeth hon gan OpenStax ar allrediad a thrylediad nwyon. Mae hylifau'n ychwanegu llusgiad gludiog, hydradiad, effeithiau siâp, a chyfyngiadau oherwydd gronynnau'n agos at ei gilydd. Mae geliau'n ychwanegu adeiledd mandyllau, llwybrau troellog, arsugniad, a rhyngweithiadau gwefr â'r polymer.

Mae'r rhifau'n datgelu'r bwlch. Mae cymhwyso deddf Graham i 158 o'i gymharu â 320 yn rhagfynegi cymhareb cyfradd o tua 1.42. Mae trylededdau wedi'u mesur mewn hydoddiannau gwanedig mewn dŵr yn adrodd stori wahanol: permanganad ar tua 1.6 i 1.8 gwaith 10^-9 m^2/s yn erbyn glas methylen ar tua 4.5 i 5 gwaith 10^-10 m^2/s, sef cymhareb sy'n agosach at 3 neu 4. Ni all màs yn unig gynhyrchu'r gymhareb honno. Maint hydradol, agregu, a rhwymo i'r gel sy'n cyfrif am y gweddill.

Triniwch y syniad o ysgafnach-cyflymach fel model sydd â rhagdybiaethau: gronynnau sfferig, dim rhwymo, dim agregu, amodau unfath. Mae'r plât yn torri o leiaf ddwy ohonynt.

Sut i wneud cymhariaeth deg

Mae'r arddangosiad yn methu yn yr un ffordd â meddalwedd: mae'r syniad sylfaenol yn gadarn, ond mae trosi'r syniad yn fesuriad yn llawn maglau. Mae pob un o'r rhain yn newid yr ateb heb newid unrhyw briodwedd foleciwlaidd.

Defnyddiwch un swp o agar wedi'i dywallt i un dyfnder, un torrwr tyllau, cyfaint cyfartal o hylif ym mhob twll, crynodiadau molar cyfartal, a chrynodiadau digon isel i gyfyngu ar agregu glas methylen ac atal dirlawnder y lliw. Torrwch o leiaf dri thwll ailadrodd ar gyfer pob hydoddyn, â digon o le rhyngddynt fel nad yw'r blaenau byth yn cwrdd. Gorchuddiwch y dysglau, cadwch nhw'n wastad, a chadwch y tymheredd yn gyson, gan fod gwaith ar lifynnau mewn agar yn dangos dibyniaeth gref ar dymheredd a chrynodiad. Diffiniwch amser sero fel yr adeg llenwi, a diffiniwch yr ymyl cyn mesur: mae trothwy ffotograffig sefydlog yn well na ffin wedi'i hamcangyfrif â'r llygad, oherwydd bod gan las a phorffor derfynau canfod gweledol gwahanol. Cofnodwch ddau ddiamedr perpendicwlar ar gyfer pob smotyn a throswch nhw'n radiws cymedrig, gan fod cymysgu radiws â diamedr yn ystumio unrhyw blot o bellter wedi'i sgwario gan ffactor o bedwar.

Labeli: mae'r panel chwith yn dangos radiws wedi'i fesur o'r top, o ymyl y twll i ymyl y lliw ar gyfer pob blaen; mae'r panel de yn dangos trawstoriad yr agar gyda dyfnder y twll a chylchoedd graddiant tuag allan; mae'r allwedd yn rhestru'r newidynnau rheoledig (canran agar, trwch, molaredd y llifyn, cyfaint, maint y twll, tymheredd, amser sero, goleuo).

Gwyliwch am effeithiau camarweiniol. Mae hylif sy'n gollwng ar draws wyneb yr agar yn edrych fel trylediad cyflym, ac mae'n arteffact sydd wedi'i ddogfennu mewn tyllau agar bach. Mae permanganad yn ocsidydd cryf a gall olion o ddeunydd organig ei ddefnyddio i fyny, gan atal ei flaen neu gannu ei liw. Mae glas methylen yn weithredol mewn adweithiau rhydocs a gall ei liw bylu dan olau neu mewn amodau rhydwythol; mae cemeg rhydocs glas methylen a'i ffurf rydwythiedig ddi-liw yn esbonio'r ymddygiad hwnnw.

Nodyn byr am y toddydd: mae'r ddau dwll yn yr arddangosiad safonol yn cynnwys hydoddiannau dyfrllyd. Os bydd protocol byth yn newid y toddydd, edrychwch ar y canllaw hydoddedd a pharatoi hydoddiannau yn gyntaf, oherwydd bod hydoddedd ac agregu yn newid gyda'r cyfrwng.

Taflen waith arsylwi yn y dosbarth

Copïwch y tabl hwn i lyfrau nodiadau neu argraffwch un rhes ar gyfer pob twll. Mae un tabl ar gyfer pob dysgl yn helpu i gadw cofnodion yr ailadroddiadau'n gywir.

Ar gyfer y dadansoddiad, plotiwch y radiws cymedrig wedi'i sgwario yn erbyn yr amser a aeth heibio ar gyfer pob twll a chymharwch y graddiannau, gan nodi diffiniad yr ymyl wrth ochr y graff. Os dangosir pob un o'r chwe chromlin ynghyd â'u gwasgariad, mae'r dosbarth yn gweld amrywiad fel data yn hytrach na rhywbeth i gywilyddio yn ei gylch.

Mae diogelwch yn rhan o'r protocol: gwisgwch fenig ac amddiffyniad llygaid, gan fod glas methylen yn staenio croen a dillad a bod permanganad yn ocsidydd sy'n staenio ac yn achosi llid. Cadwch hydoddiannau allan o'r geg, gweithiwch dros hambwrdd, a gwaredwch blatiau a hylifau drwy drefn gwastraff cemegol yr ysgol yn hytrach nag i lawr y sinc.

Y frawddeg sy'n werth ei hysgrifennu

O dan yr amodau agar, crynodiad a thymheredd hyn, mae blaen gweladwy'r permanganad fel arfer yn ymledu'n gyflymach na blaen y glas methylen. Mae hynny'n gyson â bod gan bermanganad y trylededd effeithiol mwyaf, yn bennaf oherwydd bod ei ïon hydradol yn llawer llai ac nad yw'n agregu nac yn rhwymo i agar fel y mae glas methylen yn ei wneud. Mae màs moleciwlaidd yn cydberthyn â'r gwahaniaeth maint hwnnw yma, ond nid màs yn unig sy'n pennu cyfraddau trylediad mewn hylifau neu geliau.

Mae dosbarth sy'n ysgrifennu'r frawddeg honno wedi dysgu dau beth: ffaith am ddau ïon lliwgar, a'r arfer o ofyn beth mae arddangosiad yn ei fesur cyn ymddiried yn yr hyn y mae'n ymddangos ei fod yn ei ddweud.