Sinise pudeli katse: keemia, protseduur ja vaatlused

Läbipaistev pudel seisab laborilaual. See näeb välja nagu vesi. Keegi loksutab seda ja vedelik muutub erksiniseks. Kui pudel käest panna, kaob sinine värvus minuti või kahe jooksul. Uuesti loksutades tuleb sinine tagasi. Ühe täidisega saab seda korrata kakskümmend korda või rohkem.

Õpilased arvavad tavaliselt, et pudelisse oli midagi peidetud või et loksutamine segas kokku kaks kihti. Mõlemad oletused osutuvad õpetlikult valeks. Värv pärineb ühest värvainest, metüleensinisest, mida leidub kogu vedelikus. Muutub see, kui palju elektrone värvaine kannab. Demonstratsioon muudab redokstsükli nähtavaks ning iga klassis vaadeldav muutuja — loksutamise aeg, temperatuur, kontsentratsioon — vastab mõnele keemilise protsessi tegurile.

Sama värvaine kaks vormi

Oksüdeeritud metüleensinine on lame, positiivse laenguga tsükliline süsteem. See neelab tugevalt ligikaudu 600 kuni 700 nanometres piirkonnas, mida silm tajub sügavsinisena. Mõlemat vormi ja nende spektreid käsitletakse metüleensinise struktuuri ja omaduste juhendis.

Redutseerimisel lisanduvad kaks elektroni ja prooton ning tekib leukometüleensinine: laenguta, mittetasapinnaline ja praktiliselt värvitu. Leeliselises lahuses on poolreaktsioon MB+ + H2O + 2 e- ⇌ LMB + OH-. Etapp on täielikult pöörduv. Sinine tähendab oksüdeeritud vormi, värvitu redutseeritud vormi ning jälgida ei ole vaja kolmandat olekut. Seetõttu sobib see hästi esimeseks kokkupuuteks redokskeemiaga.

Tsükkel: glükoos redutseerib, hapnik oksüdeerib uuesti

Pudelis on kolm toimivat koostisosa: metüleensinine, glükoos ja tugev leelis, kaalium- või naatriumhüdroksiid. Leelis soodustab glükoosi muutumist reaktsioonivõimelisteks deprotoneeritud vormideks, mis loovutavad värvainele elektrone:

redutseeriv suhkur + MB (sinine, oksüdeeritud) -> oksüdeeritud suhkru saadused + LMB (värvitu)

See aeglane etapp muudab seisva pudeli sisu värvituks. Glükoos on ohverdoonor ja see kulub reaktsioonis. Värvaine üksnes kannab elektrone edasi, mistõttu piisab terve pudeli jaoks mõnest tilgast. Vanemates klassiruumi kirjeldustes öeldakse, et glükoos muutub glükoonhappeks. Selline lihtsustus ennustab vaatlusi, kuid juhendajad peaksid teadma, et kirjeldus ei ole täielik: ajakirjas Royal Society Open Science avaldatud mehhanistlik analüüs jälgib oksüdatsiooni reaktsioonivõimelise enediolaadi kaudu dikarbonüülühendini, mis laguneb väiksemateks hapeteks.

Loksutamine pöörab nähtava tulemuse ümber. Segamine lahustab pudeli õhuruumist hapnikku ja hapnik oksüdeerib redutseeritud värvaine uuesti:

LMB (värvitu) + O2 -> MB (sinine) + redutseeritud hapniku saadused

Seistes saab lahustunud hapnik otsa, glükoos redutseerib värvaine uuesti ja värvus tuhmub. Paljude tsüklite jooksul on summaarseks keemiliseks protsessiks suhkru oksüdeerumine õhuhapniku toimel, samal ajal kui värvaine läbib muutumatuna redokstsüklit. See on mediaator, mitte range määratluse järgi katalüsaator, sest suhkru oksüdatsioon toimub ka ilma selleta. Värvi kadumine ei ole lagunemine: hävinud värvainet ei saaks loksutamisega taastada. Värvainelahuste stabiilsena hoidmise kohta demonstratsioonide vahel vt metüleensinise lahuste käitlemise ja säilitamise märkmeid.

Juhendatud demonstratsiooni protseduur

See on juhendatud demonstratsioon, mitte kodune tegevus. Leelise kasutamisel on vajalikud silmakaitse, kindad ning juhendaja, kes vastutab ettevalmistuse ja koristamise eest. Kaks dokumenteeritud valmistusviisi on ülesehituselt samad, kuid erineva mahuga.

Indiana University keemiaosakonna avaldatud demonstratsiooni juhendis kasutatakse ligikaudu 5 protsenti kaaliumhüdroksiidi, 4 protsenti glükoosi ja 1 protsenti metüleensinise vesilahust. Valage läbipaistvasse 250 or 500 millilitre pudelisse võrdsed kogused leelise- ja glükoosilahust, kuni pudel on pooleldi täis, jättes ülejäänud osa õhuruumiks. Lisage mõni tilk värvainet, sulgege kork, tihendage ühenduskoht ja laske seista, kuni sinine värvus kaob. Royal Society of Chemistry protseduur rakendab sama põhimõtet 1 litre korgiga kolvis: 300 millilitres vett, 10 grams glükoosi, 8 grams kaaliumhüdroksiidi (või 6 grams naatriumhüdroksiidi) ning mõni millilitres lahjendatud värvainelahust.

Katse tegemiseks loksutage tugevalt. Täielik sinine värvus tekib mõne sekundiga. Asetage kolb lauale ja mõõtke värvuse kadumise aega. Royal Society of Chemistry andmetel saab ühe täidisega teha rohkem kui kakskümmend tsüklit. Ärge täitke pudelit kunagi ääreni: ilma suletud õhuruumita ei ole hapnikuvaru, mis saaks lahustuda.

Mida jälgida ja mis muudab ajastust

Mõõtke kolme asja: loksutamise aega täieliku sinise värvuseni (sekundid), seismise aega värvituks muutumiseni (kuni mõni minut) ning tsüklite arvu enne sinise värvuse nõrgenemist. Iga tuhmumise lõpus jälgige vedeliku pinda. Õhu ja vedeliku piirpinnale jääb sageli õhuke sinine kiht, sest seal difundeerub pidevalt juurde hapnikku. See joon muudab difusiooni nähtavaks.

Sinise pudeli reaktsioon järgib Royal Society of Chemistry protseduuriga esitatud empiirilist kiirusseadust: rate = k[MB oxidised][glucose]OH-. Iga tegurit saab klassiruumis eraldi uurida. Rohkem glükoosi, leelist või värvainet lühendab sinise värvuse kestust. Soojus kiirendab tuhmumist; külmas kolvis toimub reaktsioon aeglaselt. Tugevam loksutamine lahustab rohkem hapnikku, mistõttu sinine värvus püsib kauem. Suurem õhuruum pikendab katse kestust. Kui tsüklid lõpuks nõrgenevad ja vedelik muutub kollakaks, on suhkur otsa saanud ning kõrvalsaadused on kogunenud. Ka see lõpp-punkt on tulemus, mida tasub üles märkida.

Vaatlusleht

Kopeerige see tabel vihikusse, üks rida iga katsekorra kohta. See tööleht koos eespool oleva reaktsiooniskeemiga moodustab selle artikli prinditava materjali.

Ennustusküsimused, millele vastatakse enne iga katsekorda:

• Pudeli sisu on kohe pärast loksutamist sinine. Milline värvaine vorm domineerib ja mis selle sellesse olekusse viis?
• Pudel seisab ja värvus kaob. Milline reaktsioon domineerib ning milline koostisosa kulub?
• Pärast paljusid tsükleid muutub sinine värvus nõrgaks ja kollakaks. Kas selle taastamiseks tuleks lisada värvainet, leelist või glükoosi, ja miks?
• Joonistage ühe tsükli kohta värvuse muutus ajas. Märkige, millal hapnik lahusesse siseneb.

Juhendaja vastused: (1) oksüdeeritud metüleensinine, mille lahustunud õhuruumi hapnik uuesti oksüdeeris; (2) redutseerimine glükoosi toimel, glükoos kulub; (3) glükoos, piirav doonor, sest värvaine läbib tsüklit muutumatuna; (4) järsk tõus loksutamisel, järkjärguline langus seismisel, hapnik siseneb ainult tõusu ajal.

Lähedased variandid, mida tasub nimetada

Valgusfooridemonstratsioonis kasutatakse indigokarmiini ning hapnikuga rikastamisel läbib süsteem kollase, punase ja rohelise värvuse. Nimetust roheline pudel kasutatakse vabalt: mõnikord selle variandi, mõnikord rohelisemate formulatsioonide kohta, näiteks askorbiinhappel põhinevad süsteemid või American Chemical Society kirjeldatud ensümaatiline tsüklisüsteem. Nimetage alati konkreetselt laborilaual olev variant, et õpilased ei ühendaks eri keemiliste süsteemide vaatlusi omavahel.

Ohutus ja käitlemine

Kogu tegevus peab toimuma järelevalve all. Leeliselise lahuse käsitsemisel või korgiga suletud anuma loksutamisel kasutage kemikaalipritsmete eest kaitsvaid prille ja kindaid. Leelis põhjustab söövituskahjustusi, värvaine määrib nahka ja kangast ning etanooliga valmistatud värvainelahused lisavad laborilauale tuleohtliku lahusti. Hoidke anum loksutamise ajal suletuna. Pärast katset säilitage kasutatud lahused käitlemiseks vastavalt oma asutuse laborireeglitele. Leeliselisi ja värvainet sisaldavaid jäätmeid puudutavad nõuded erinevad asutuste ja jurisdiktsioonide vahel, seega järgige oma labori kehtestatud protseduuri, mitte mõnest teisest allikast üle võetud juhiseid.

Kui soovite värvimuutuste asemel arvulisi tulemusi, jätkavad metüleensinise kvantitatiivsed analüüsimeetodid sealt, kus see demonstratsioon lõpeb.

Miks õpetajad seda pudelit ikka kasutavad

Üks kolb koondab neli ideed. Redoks muutub definitsiooni asemel värvuseks. Mediaator näitab, kuidas väga väike kogus üht ainet võib anda teavet suure koguse teise aine kohta. Kineetika eristub termodünaamikast nähtaval viisil: hapnik domineerib seni, kuni loksutamine seda juurde annab, ning glükoos domineerib siis, kui hapniku juurdevool peatub. Ja difusioon, keemia üks vaiksemaid protsesse, paneb kogu demonstratsiooni tööle, sest iga sinine sähvatus algab hapniku liikumisest õhust vette. Demonstratsioon, mis võimaldab õpilastel kõike seda stopperi ja tabeli abil ennustada, mõõta ja selgitada, väärib oma kohta laborilaual.