Det blå flaskeeksperiment: kemi, fremgangsmåde og observationer

En klar flaske står på laboratoriebordet. Den ligner vand. Nogen ryster den, og væsken bliver kraftigt blå. Når den sættes ned, forsvinder den blå farve i løbet af et minut eller to. Ryst den igen, og den blå farve vender tilbage. Den samme fyldning kan gentage dette tyve gange eller mere.

Elever gætter normalt på, at noget var skjult i flasken, eller at rystningen blandede to lag. Begge gæt viser sig på en lærerig måde at være forkerte. Farven kommer fra ét enkelt farvestof, methylenblåt, som findes i hele væsken. Det, der ændrer sig, er, hvor mange elektroner farvestoffet bærer. Demonstrationen gør en redoxcyklus synlig, og enhver variabel, som klassen kan observere, rystetid, temperatur, koncentration, svarer til et led i kemien.

To former af det samme farvestof

Oxideret methylenblåt er et fladt, positivt ladet ringsystem. Det absorberer kraftigt omkring 600 til 700 nanometres, hvilket øjet opfatter som dybblåt. De to former og deres spektre gennemgås i vejledningen til methylenblåts struktur og egenskaber.

Reduktion tilfører to elektroner og en proton og danner leukomethylenblåt: uladet, ikke-planart og i praksis farveløst. I alkalisk opløsning skrives halvreaktionen MB+ + H2O + 2 e- ⇌ LMB + OH-. Trinnet er fuldt reversibelt. Blå betyder oxideret, farveløs betyder reduceret, og der er ingen tredje tilstand at holde styr på, hvilket gør dette til en enkel første introduktion til redoxkemi.

Cyklussen: glukose reducerer, oxygen reoxiderer

Flasken indeholder tre aktive ingredienser: methylenblåt, glukose og en stærk base, kalium- eller natriumhydroxid. Basen fremmer dannelsen af reaktive deprotonerede former af glukose, som afgiver elektroner til farvestoffet:

reducerende sukker + MB (blå, oxideret) -> oxiderede sukkerprodukter + LMB (farveløs)

Dette langsomme trin fjerner farven, mens flasken står stille. Glukose er den opofrende donor og forbruges. Farvestoffet transporterer blot elektroner, så nogle få dråber er nok til en hel flaske. Ældre beskrivelser til undervisningsbrug siger, at glukose bliver til gluconsyre. Den forenkling forudsiger observationerne, men undervisere bør vide, at den er ufuldstændig: en mekanistisk analyse offentliggjort i Royal Society Open Science følger oxidationen gennem et reaktivt enediolat til en dicarbonylforbindelse, der spaltes til mindre syrer.

Rystning vender det synlige resultat. Bevægelsen opløser oxygen fra luften i flaskens frirum, og oxygen reoxiderer det reducerede farvestof:

LMB (farveløs) + O2 -> MB (blå) + reducerede oxygenprodukter

Når flasken står stille, opbruges det opløste oxygen, glukose reducerer farvestoffet igen, og farven falmer. Over mange cyklusser er nettokemien oxidation af sukker med luft, mens farvestoffet uændret gennemløber sin cyklus som redoxmediator. Det er en mediator snarere end en egentlig katalysator, eftersom sukkeroxidationen også forløber uden det, og afblegningen er ikke nedbrydning: et ødelagt farvestof kunne ikke genoplives ved rystning. Se noterne om håndtering og opbevaring af methylenblåtopløsninger for at holde farvestofstamopløsninger stabile mellem demonstrationerne.

Fremgangsmåde til en overvåget demonstration

Dette er en overvåget demonstration, ikke en aktivitet til hjemmet. Basen kræver øjenbeskyttelse, handsker og en underviser, som står for forberedelse og oprydning. To dokumenterede formuleringer følger samme princip, men er i forskellig skala.

Instruktionsarket bag demonstrationen som offentliggjort af Indiana Universitys kemiafdeling bruger approximately 5 percent kaliumhydroxid, 4 percent glukose og 1 percent vandig methylenblåt. Hæld lige store volumener af base- og glukoseopløsninger i en gennemsigtig 250 eller 500 millilitre flaske, indtil den er halvt fuld, så resten efterlades som et luftfyldt frirum. Tilsæt nogle få dråber farvestof, sæt låg på, forsegl samlingen, og lad flasken stå, indtil den blå farve forsvinder. Royal Society of Chemistrys fremgangsmåde skalerer samme idé op til en 1 litre kolbe med prop: 300 millilitres vand, 10 grams glukose, 8 grams kaliumhydroxid (eller 6 grams natriumhydroxid) samt nogle få millilitres fortyndet farvestofstamopløsning.

Ryst kraftigt for at udføre demonstrationen. Den fulde blå farve udvikles på få sekunder. Sæt kolben ned, og tag tid på afblegningen. Royal Society of Chemistry rapporterer mere end tyve cyklusser pr. fyldning. Fyld aldrig flasken helt til randen: uden indesluttet luft er der ingen oxygenreserve, som kan opløses.

Hvad der skal observeres, og hvad der ændrer timingen

Tag tid på tre ting: rystning til fuld blå farve (sekunder), stilstand til farveløs (op til nogle få minutter) og antallet af cyklusser, før den blå farve svækkes. Mod slutningen af hver afblegning skal du holde øje med overfladen. Et tyndt blåt lag bliver ofte hængende ved grænsefladen mod luften, hvor oxygen fortsat diffunderer ind. Den linje er diffusion gjort synlig.

Den blå flaskereaktion følger den empiriske hastighedslov, der er angivet sammen med Royal Society of Chemistrys fremgangsmåde: rate = k[MB oxidised][glucose]OH-. Hvert led kan undersøges som et klasseforsøg. Mere glukose, base eller farvestof forkorter den blå periode. Varme fremskynder afblegningen; en kold kolbe reagerer trægt. Kraftigere rystning opløser mere oxygen, så den blå farve varer længere. Et større frirum forlænger forsøget. Når cyklusserne til sidst svækkes, og væsken bliver gullig, er sukkeret opbrugt, og biprodukter er ophobet. Dette slutpunkt er i sig selv et resultat, der er værd at registrere.

Observationsark

Kopiér denne tabel til notesbøgerne, én række pr. forsøg. Dette ark sammen med reaktionsdiagrammet ovenfor er de udskrivbare materialer til denne artikel.

Forudsigelsesspørgsmål, som besvares før hvert forsøg:

• Flasken er blå lige efter rystning. Hvilken form af farvestoffet dominerer, og hvad bragte det i den tilstand?
• Flasken står stille og falmer. Hvilken reaktion dominerer, og hvilken ingrediens forbruges?
• Efter mange cyklusser bliver den blå farve svag og gullig. Skal den genoplives med farvestof, base eller glukose, og hvorfor?
• Tegn farven som funktion af tiden for én cyklus. Markér, hvor oxygen trænger ind i opløsningen.

Svar til underviseren: (1) oxideret methylenblåt, reoxideret af opløst oxygen fra frirummet; (2) reduktion med glukose, hvor glukose forbruges; (3) glukose, den begrænsende donor, eftersom farvestoffet gennemløber cyklussen uændret; (4) kraftig stigning under rystning, gradvist fald under stilstand, oxygen trænger kun ind under stigningen.

Nært beslægtede demonstrationer, der er værd at kende

Trafiklysdemonstrationen erstatter methylenblåt med indigocarmin og går gennem gul, rød og grøn ved oxygenering. Betegnelsen grøn flaske bruges løst: nogle gange om denne variant, andre gange om grønnere formuleringer såsom systemer med ascorbinsyre eller et enzymatisk cyklussystem beskrevet af American Chemical Society. Angiv navnet på den variant, der står på laboratoriebordet, så eleverne ikke blander observationer fra forskellige kemiske systemer sammen.

Sikkerhed og håndtering

Overvågning under hele forsøget. Brug kemiske stænkbriller og handsker ved håndtering af den alkaliske opløsning eller rystning af beholderen med prop. Base giver ætsninger, farvestoffet pletter hud og stof, og farvestofstamopløsninger fremstillet i ethanol tilfører et brandfarligt opløsningsmiddel til laboratoriebordet. Hold beholderen lukket med prop under rystning. Opbevar efterfølgende de brugte opløsninger til håndtering i henhold til institutionens egne laboratorieregler. Kravene til alkalisk affald med farvestof varierer mellem institutioner og jurisdiktioner, så følg den procedure, der gælder i dit eget laboratorium, frem for at overtage en fra en anden kilde.

Hvis du ønsker tal frem for farveændringer, tager kvantitative analyser af methylenblåt over, hvor denne demonstration slutter.

Hvorfor lærere bliver ved med at bruge denne flaske

Én kolbe samler fire idéer. Redox bliver til en farve i stedet for en definition. En mediator viser, hvordan en spormængde af ét stof kan rapportere om en stor mængde af et andet. Kinetik adskilles synligt fra termodynamik: oxygen dominerer, mens rystning tilfører det, og glukose dominerer, når tilførslen stopper. Og diffusion, den mest stille proces i kemien, driver hele demonstrationen, fordi hvert blåt glimt begynder med, at oxygen bevæger sig fra luft til vand. En demonstration, der lader elever forudsige, tage tid på og forklare alt dette med et stopur og en tabel, har fortjent sin plads på laboratoriebordet.