Το πείραμα της μπλε φιάλης: χημεία, διαδικασία και παρατηρήσεις

Μια διαυγής φιάλη βρίσκεται πάνω στον εργαστηριακό πάγκο. Μοιάζει να περιέχει νερό. Κάποιος την ανακινεί και το υγρό γίνεται έντονο μπλε. Όταν αφεθεί ακίνητη, το μπλε εξαφανίζεται μέσα σε ένα ή δύο λεπτά. Ανακινήστε την ξανά και το μπλε επιστρέφει. Μία μόνο πλήρωση μπορεί να επαναλάβει αυτόν τον κύκλο είκοσι φορές ή και περισσότερο.

Οι μαθητές συνήθως υποθέτουν ότι κάτι ήταν κρυμμένο μέσα στη φιάλη ή ότι η ανακίνηση ανακάτεψε δύο στρώσεις. Και οι δύο υποθέσεις αποδεικνύονται λανθασμένες με διδακτικό τρόπο. Το χρώμα προέρχεται από μία μόνο χρωστική, το μπλε του μεθυλενίου, που βρίσκεται παντού στο διάλυμα. Αυτό που αλλάζει είναι πόσα ηλεκτρόνια φέρει η χρωστική. Η επίδειξη είναι ένας οξειδοαναγωγικός κύκλος που γίνεται ορατός, και κάθε μεταβλητή που μπορεί να παρατηρήσει η τάξη — χρόνος ανακίνησης, θερμοκρασία, συγκέντρωση — αντιστοιχεί σε έναν όρο της χημείας της αντίδρασης.

Δύο μορφές της ίδιας χρωστικής

Το οξειδωμένο μπλε του μεθυλενίου είναι ένα επίπεδο, θετικά φορτισμένο σύστημα δακτυλίων. Απορροφά έντονα περίπου στα 600 έως 700 nanometres, κάτι που το μάτι αντιλαμβάνεται ως βαθύ μπλε. Οι δύο μορφές και τα φάσματά τους παρουσιάζονται στον οδηγό για τη δομή και τις ιδιότητες του μπλε του μεθυλενίου.

Η αναγωγή προσθέτει δύο ηλεκτρόνια και ένα πρωτόνιο, σχηματίζοντας λευκομεθυλενομπλέ: αφόρτιστο, μη επίπεδο και πρακτικά άχρωμο. Σε αλκαλικό διάλυμα, η ημιαντίδραση γράφεται MB+ + H2O + 2 e- ⇌ LMB + OH-. Το στάδιο είναι πλήρως αναστρέψιμο. Το μπλε σημαίνει οξειδωμένη μορφή, το άχρωμο σημαίνει ανηγμένη μορφή και δεν υπάρχει τρίτη κατάσταση που πρέπει να παρακολουθείται, γεγονός που καθιστά το πείραμα μια καθαρή πρώτη γνωριμία με την οξειδοαναγωγική χημεία.

Ο κύκλος: η γλυκόζη ανάγει, το οξυγόνο επανοξειδώνει

Η φιάλη περιέχει τρία ενεργά συστατικά: μπλε του μεθυλενίου, γλυκόζη και ισχυρή βάση, υδροξείδιο του καλίου ή του νατρίου. Η βάση μετατρέπει τη γλυκόζη σε δραστικές αποπρωτονιωμένες μορφές που δίνουν ηλεκτρόνια στη χρωστική:

αναγωγικό σάκχαρο + MB (μπλε, οξειδωμένο) -> οξειδωμένα προϊόντα σακχάρου + LMB (άχρωμο)

Αυτό το αργό στάδιο απομακρύνει το χρώμα όσο η φιάλη παραμένει ακίνητη. Η γλυκόζη είναι ο αναλώσιμος δότης και καταναλώνεται. Η χρωστική απλώς μεταφέρει ηλεκτρόνια, επομένως λίγες σταγόνες αρκούν για ολόκληρη τη φιάλη. Παλαιότερες περιγραφές για χρήση στην τάξη αναφέρουν ότι η γλυκόζη μετατρέπεται σε γλυκονικό οξύ. Αυτή η συντομευμένη περιγραφή προβλέπει τις παρατηρήσεις, αλλά οι διδάσκοντες πρέπει να γνωρίζουν ότι είναι ελλιπής: μια μηχανιστική ανάλυση που δημοσιεύτηκε στο Royal Society Open Science παρακολουθεί την οξείδωση μέσω ενός δραστικού ενοδιολικού ενδιάμεσου σε μια δικαρβονυλική ένωση που διασπάται σε μικρότερα οξέα.

Η ανακίνηση αντιστρέφει το ορατό αποτέλεσμα. Η ανάδευση διαλύει οξυγόνο από τον παγιδευμένο αέρα του υπερκείμενου χώρου και το οξυγόνο επανοξειδώνει την ανηγμένη χρωστική:

LMB (άχρωμο) + O2 -> MB (μπλε) + ανηγμένα προϊόντα οξυγόνου

Όταν η φιάλη αφεθεί ακίνητη, το διαλυμένο οξυγόνο εξαντλείται, η γλυκόζη ανάγει ξανά τη χρωστική και το χρώμα ξεθωριάζει. Σε πολλούς κύκλους, η συνολική χημική διεργασία είναι η οξείδωση του σακχάρου από τον αέρα, ενώ η χρωστική ανακυκλώνεται αμετάβλητη ως οξειδοαναγωγικός μεσολαβητής. Πρόκειται για μεσολαβητή και όχι για αυστηρά ορισμένο καταλύτη, επειδή η οξείδωση του σακχάρου προχωρά και χωρίς αυτόν, ενώ το ξεθώριασμα δεν είναι αποσύνθεση: μια κατεστραμμένη χρωστική δεν θα μπορούσε να επανέλθει με ανακίνηση. Για τη διατήρηση της σταθερότητας των αποθεματικών διαλυμάτων χρωστικής μεταξύ επιδείξεων, δείτε τις σημειώσεις για τον χειρισμό και την αποθήκευση διαλυμάτων μπλε του μεθυλενίου.

Διαδικασία για επιβλεπόμενη επίδειξη

Πρόκειται για επιβλεπόμενη επίδειξη και όχι για οικιακή δραστηριότητα. Η χρήση ισχυρής βάσης απαιτεί προστασία των ματιών, γάντια και διδάσκοντα που αναλαμβάνει την παρασκευή και τον καθαρισμό. Δύο τεκμηριωμένες συνταγές συμφωνούν ως προς τη δομή και διαφέρουν ως προς την κλίμακα.

Το φύλλο οδηγιών για την επίδειξη όπως δημοσιεύεται από το τμήμα χημείας του Indiana University χρησιμοποιεί περίπου 5 percent υδροξείδιο του καλίου, 4 percent γλυκόζη και 1 percent υδατικό διάλυμα μπλε του μεθυλενίου. Ρίξτε ίσους όγκους των διαλυμάτων βάσης και γλυκόζης σε μια διαφανή φιάλη 250 or 500 millilitre μέχρι να γεμίσει κατά το ήμισυ, αφήνοντας το υπόλοιπο ως υπερκείμενο χώρο αέρα. Προσθέστε λίγες σταγόνες χρωστικής, πωματίστε, σφραγίστε την ένωση και αφήστε τη φιάλη ακίνητη μέχρι να εξαφανιστεί το μπλε. Η διαδικασία της Royal Society of Chemistry εφαρμόζει την ίδια ιδέα σε πωματισμένη φιάλη 1 litre: 300 millilitres νερού, 10 grams γλυκόζης, 8 grams υδροξειδίου του καλίου (ή 6 grams υδροξειδίου του νατρίου), συν λίγα millilitres αραιού αποθεματικού διαλύματος χρωστικής.

Για την εκτέλεση, ανακινήστε έντονα. Το πλήρες μπλε χρώμα αναπτύσσεται μέσα σε seconds. Αφήστε τη φιάλη κάτω και μετρήστε τον χρόνο μέχρι να ξεθωριάσει. Η Royal Society of Chemistry αναφέρει περισσότερους από είκοσι κύκλους ανά πλήρωση. Μην γεμίζετε ποτέ τη φιάλη μέχρι το χείλος: χωρίς παγιδευμένο αέρα δεν υπάρχει απόθεμα οξυγόνου για να διαλυθεί.

Τι να παρατηρήσετε και τι αλλάζει τον χρόνο

Μετρήστε τρία πράγματα: την ανακίνηση μέχρι να επιτευχθεί πλήρες μπλε (seconds), την παραμονή μέχρι να γίνει άχρωμο (έως λίγα minutes) και τον αριθμό των κύκλων πριν εξασθενήσει το μπλε. Κοντά στο τέλος κάθε αποχρωματισμού, παρατηρήστε την επιφάνεια. Συχνά παραμένει ένα λεπτό μπλε στρώμα στη διεπιφάνεια με τον αέρα, όπου το οξυγόνο συνεχίζει να διαχέεται προς το υγρό. Αυτή η γραμμή είναι η διάχυση που γίνεται ορατή.

Η αντίδραση της μπλε φιάλης ακολουθεί τον εμπειρικό νόμο ταχύτητας που αναφέρεται μαζί με τη διαδικασία της Royal Society of Chemistry: rate = k[MB oxidised][glucose]OH-. Κάθε όρος αποτελεί ένα πείραμα για την τάξη. Περισσότερη γλυκόζη, βάση ή χρωστική μειώνει τη διάρκεια της μπλε φάσης. Η θέρμανση επιταχύνει το ξεθώριασμα· μια κρύα φιάλη αντιδρά πιο αργά. Η εντονότερη ανακίνηση διαλύει περισσότερο οξυγόνο, οπότε το μπλε διαρκεί περισσότερο. Ένας μεγαλύτερος υπερκείμενος χώρος παρατείνει τη διάρκεια της επίδειξης. Όταν τελικά οι κύκλοι εξασθενήσουν και το υγρό κιτρινίσει, το σάκχαρο έχει εξαντληθεί και έχουν συσσωρευτεί παραπροϊόντα. Αυτό το τελικό σημείο αποτελεί και το ίδιο αποτέλεσμα που αξίζει να καταγραφεί.

Φύλλο καταγραφής παρατηρήσεων

Αντιγράψτε αυτόν τον πίνακα στα τετράδια, μία γραμμή ανά δοκιμή. Αυτό το φύλλο εργασίας μαζί με το παραπάνω διάγραμμα αντίδρασης αποτελούν τα εκτυπώσιμα στοιχεία αυτού του άρθρου.

Ερωτήσεις πρόβλεψης, που απαντώνται πριν από κάθε δοκιμή:

• Η φιάλη είναι μπλε αμέσως μετά την ανακίνηση. Ποια μορφή της χρωστικής κυριαρχεί και τι την έφερε σε αυτή την κατάσταση;
• Η φιάλη μένει ακίνητη και ξεθωριάζει. Ποια αντίδραση επικρατεί και ποιο συστατικό καταναλώνεται;
• Μετά από πολλούς κύκλους, το μπλε γίνεται αχνό και κιτρινωπό. Θα το επαναφέρετε με χρωστική, βάση ή γλυκόζη, και γιατί;
• Σχεδιάστε το χρώμα ως συνάρτηση του χρόνου για έναν κύκλο. Σημειώστε πού εισέρχεται το οξυγόνο στο διάλυμα.

Απαντήσεις διδάσκοντα: (1) οξειδωμένο μπλε του μεθυλενίου, επανοξειδωμένο από διαλυμένο οξυγόνο του υπερκείμενου χώρου· (2) αναγωγή από τη γλυκόζη, με κατανάλωση της γλυκόζης· (3) γλυκόζη, ο περιοριστικός δότης, αφού η χρωστική ανακυκλώνεται αμετάβλητη· (4) απότομη άνοδος κατά την ανακίνηση, σταδιακή πτώση σε ακινησία, είσοδος οξυγόνου μόνο κατά την άνοδο.

Συγγενείς επιδείξεις που αξίζει να αναφέρονται

Η επίδειξη του φωτεινού σηματοδότη χρησιμοποιεί ινδικοκαρμίνη και περνά διαδοχικά από κίτρινο, κόκκινο και πράσινο με την οξυγόνωση. Η ονομασία πράσινη φιάλη χρησιμοποιείται χαλαρά: μερικές φορές για αυτή την παραλλαγή και μερικές φορές για πιο πράσινες συνθέσεις, όπως συστήματα ασκορβικού οξέος ή ένα ενζυμικό σύστημα ανακύκλωσης που περιγράφεται από την American Chemical Society. Αναφέρετε με το όνομά της την παραλλαγή που βρίσκεται στον πάγκο, ώστε οι μαθητές να μη συγχέουν παρατηρήσεις από διαφορετικά χημικά συστήματα.

Ασφάλεια και χειρισμός

Απαιτείται επίβλεψη καθ’ όλη τη διάρκεια. Χρησιμοποιείτε προστασία ματιών από χημικές πιτσιλιές και γάντια κατά τον χειρισμό του αλκαλικού διαλύματος ή την ανακίνηση του πωματισμένου δοχείου. Η βάση προκαλεί εγκαύματα, η χρωστική λεκιάζει το δέρμα και τα υφάσματα και τα αποθεματικά διαλύματα χρωστικής που παρασκευάζονται σε αιθανόλη προσθέτουν έναν εύφλεκτο διαλύτη στον εργαστηριακό πάγκο. Διατηρείτε το δοχείο πωματισμένο κατά την ανακίνηση. Στη συνέχεια, κρατήστε τα χρησιμοποιημένα διαλύματα για διαχείριση σύμφωνα με τους εργαστηριακούς κανόνες του ιδρύματός σας. Οι απαιτήσεις για αλκαλικά απόβλητα που περιέχουν χρωστική διαφέρουν μεταξύ ιδρυμάτων και δικαιοδοσιών, επομένως ακολουθήστε τη διαδικασία που έχει θεσπίσει το δικό σας εργαστήριο αντί να υιοθετήσετε μία από άλλη πηγή.

Αν θέλετε αριθμητικά δεδομένα αντί για αλλαγές χρώματος, οι ποσοτικές αναλύσεις για το μπλε του μεθυλενίου συνεχίζουν από εκεί όπου τελειώνει αυτή η επίδειξη.

Γιατί οι εκπαιδευτικοί συνεχίζουν να χρησιμοποιούν αυτή τη φιάλη

Μία φιάλη συμπυκνώνει τέσσερις ιδέες. Η οξειδοαναγωγή γίνεται χρώμα αντί για ορισμός. Ένας μεσολαβητής δείχνει πώς μια ίχνη ποσότητα μιας ουσίας μπορεί να αναφέρει τι συμβαίνει σε πολύ μεγαλύτερη ποσότητα μιας άλλης. Η κινητική διαχωρίζεται ορατά από τη θερμοδυναμική: το οξυγόνο επικρατεί όσο η ανακίνηση το τροφοδοτεί, ενώ η γλυκόζη επικρατεί όταν η παροχή σταματά. Και η διάχυση, η πιο αθόρυβη διεργασία στη χημεία, στηρίζει ολόκληρη την επίδειξη, επειδή κάθε μπλε αναλαμπή αρχίζει με οξυγόνο που περνά από τον αέρα στο νερό. Μια επίδειξη που επιτρέπει στους μαθητές να προβλέπουν, να χρονομετρούν και να εξηγούν όλα αυτά με ένα χρονόμετρο και έναν πίνακα έχει κερδίσει τη θέση της στον εργαστηριακό πάγκο.