Botila urdinaren esperimentua: kimika, prozedura eta behaketak

Botila garden bat dago laborategiko mahaian. Ura dirudi. Norbaitek astindu, eta likidoa urdin bizi bihurtzen da. Geldirik utzita, urdina desagertu egiten da minutu bat edo biren buruan. Astindu berriro, eta urdina itzultzen da. Beteketa berarekin hogei aldiz edo gehiago errepika daiteke.

Ikasleek normalean pentsatzen dute zerbait botilan ezkutatuta zegoela, edo astintzeak bi geruza nahastu zituela. Bi hipotesiek modu didaktikoan huts egiten dute. Kolorea koloratzaile bakar batetik dator, metileno urdinetik, eta likido osoan dago banatuta. Aldatzen dena koloratzaileak zenbat elektroi daramatzan da. Erakustaldia ikusgai bihurtutako redox ziklo bat da, eta ikasleek ikus dezaketen aldagai bakoitza, astintze-denbora, tenperatura, kontzentrazioa, kimikako termino bati dagokio.

Koloratzaile beraren bi formak

Metileno urdin oxidatua eraztun-sistema lau eta positiboki kargatua da. 600 eta 700 nanometres inguruan xurgapen handia du, eta begiak urdin sakon gisa hautematen du. Bi formak eta haien espektroak metileno urdinaren egiturari eta propietateei buruzko gidan azaltzen dira.

Erredukzioak bi elektroi eta protoi bat gehitzen ditu, eta leukometileno urdina sortzen da: kargarik gabea, ez-planoa eta, praktikan, kolorerik gabea. Disoluzio alkalinoan, erdi-erreakzioa honela idazten da: MB+ + H2O + 2 e- ⇌ LMB + OH-. Urratsa guztiz itzulgarria da. Urdinak oxidatua esan nahi du, kolorerik ezak erreduzitua, eta ez dago jarraitu beharreko hirugarren egoerarik; horregatik da redox kimikarekin lehen harremana izateko adibide garbia.

Zikloa: glukosak erreduzitu, oxigenoak berriz oxidatu

Botilak hiru osagai aktibo ditu: metileno urdina, glukosa eta alkali sendoa, potasio hidroxidoa edo sodio hidroxidoa. Alkaliak glukosa elektroiak koloratzaileari emateko gai diren forma desprotonatu erreaktiboetara bultzatzen du:

azukre erreduzitzailea + MB (urdina, oxidatua) -> azukre oxidatuaren produktuak + LMB (kolorerik gabea)

Urrats motel horrek kolorea ezabatzen du botila geldirik dagoen bitartean. Glukosa emaile sakrifiziala da eta kontsumitu egiten da. Koloratzaileak elektroiak garraiatu besterik ez du egiten; beraz, tanta gutxi batzuekin botila osoak funtzionatzen du. Ikasgelako azalpen zaharragoek diote glukosa azido glukoniko bihurtzen dela. Laburpen horrek behaketak aurreikusten ditu, baina irakasleek jakin behar dute osatugabea dela: Royal Society Open Science aldizkarian argitaratutako analisi mekanistiko batek oxidazioa enediolato erreaktibo batetik igarotzen dela azaltzen du, konposatu dikarboniliko bat sortu eta hori azido txikiagoetan zatitzen den arte.

Astintzeak ikusgai den emaitza alderantzikatzen du. Mugimenduak goiko aire-eremuko oxigenoa disolbatzen du, eta oxigenoak koloratzaile erreduzitua berriz oxidatzen du:

LMB (kolorerik gabea) + O2 -> MB (urdina) + oxigeno erreduzituaren produktuak

Geldirik utzita, disolbatutako oxigenoa agortu egiten da, glukosak koloratzailea berriz erreduzitzen du, eta kolorea lausotzen da. Ziklo askotan zehar, kimika garbiaren emaitza azukrea aireak oxidatzea da, koloratzaileak redox bitartekari gisa aldatu gabe ziklatzen duen bitartean. Bitartekaria da, ez katalizatzaile zorrotza, azukrearen oxidazioa hura gabe ere gertatzen delako; eta kolore-galera ez da deskonposizioa: suntsitutako koloratzailea ezin litzateke astinduz berriz aktibatu. Erakustaldien artean koloratzaile-disoluzioak egonkor mantentzeko, ikus metileno urdinaren disoluzioak manipulatzeari eta biltegiratzeari buruzko oharrak.

Gainbegiratutako erakustaldi baterako prozedura

Hau gainbegiratutako erakustaldia da, ez etxean egiteko jarduera bat. Alkaliak begi-babesa eta eskularruak eskatzen ditu, baita prestaketa eta garbiketaren ardura hartzen duen irakasle bat ere. Dokumentatutako bi formulazioek egitura bera dute eta eskalan bereizten dira.

Indiana Universityko kimika sailak argitaratutako erakustaldiaren jarraibide-orriak gutxi gorabehera 5 percent potasio hidroxido, 4 percent glukosa eta 1 percent metileno urdin urtsua erabiltzen ditu. Isuri alkali- eta glukosa-disoluzioen bolumen berdinak 250 edo 500 millilitre-ko botila garden batean erdiraino bete arte, eta utzi gainerakoa aire-eremu gisa. Gehitu koloratzaile tanta batzuk, itxi tapoiarekin, zigilatu juntura eta utzi geldirik urdina desagertu arte. Royal Society of Chemistry-ren prozedurak ideia bera 1 litre-ko tapoidun matraze batera eskalatzen du: 300 millilitres ur, 10 grams glukosa, 8 grams potasio hidroxido (edo 6 grams sodio hidroxido), gehi koloratzaile-disoluzio diluituaren millilitres gutxi batzuk.

Erakustaldia egiteko, astindu indarrez. Urdin osoa segundo gutxitan agertzen da. Utzi matrazea mahaian eta neurtu kolorea desagertzeko denbora. Royal Society of Chemistry-k beteketa bakoitzeko hogei ziklo baino gehiago jakinarazten ditu. Ez bete inoiz botila goraino: barruan aire harrapaturik gabe, ez dago disolbatzeko oxigeno-erreserbarik.

Zer behatu eta zerk aldatzen duen denbora

Neurtu hiru gauza: urdin osora iristeko astintze-denbora (seconds), geldirik kolorerik gabe geratzeko denbora (minutu gutxi batzuetaraino), eta urdina ahultzen hasi aurreko ziklo kopurua. Kolorea desagertzen ari den aldi bakoitzaren amaieran, begiratu gainazalari. Airearekiko interfazean urdin-geruza mehe bat geratzen da sarritan, oxigenoak bertara hedatzen jarraitzen duelako. Lerro hori ikusgai bihurtutako difusioa da.

Botila urdinaren erreakzioak Royal Society of Chemistry-ren prozedurarekin emandako abiadura-lege enpirikoa betetzen du: rate = k[MB oxidised][glucose]OH-. Termino bakoitza ikasgelako esperimentu bat da. Glukosa, alkali edo koloratzaile gehiago izateak aldi urdina laburtzen du. Berotasunak kolore-galera bizkortzen du; matraze hotza motel bihurtzen da. Indartsuago astintzeak oxigeno gehiago disolbatzen du, eta, beraz, urdinak gehiago irauten du. Aire-eremu handiago batek saioa luzatzen du. Azkenean zikloak ahultzen direnean eta likidoa horixka bihurtzen denean, azukrea agortu egin da eta albo-produktuak pilatu dira. Amaiera-puntu hori bera ere merezi du erregistratzea.

Behaketa-fitxa

Kopiatu taula hau koadernoetan, errenkada bana saiakuntza bakoitzeko. Fitxa hau eta goiko erreakzio-diagrama dira artikulu honen baliabide inprimagarriak.

Aurreikuspen-galderak, saiakuntza bakoitzaren aurretik erantzuteko:

• Botila urdina dago astindu eta berehala. Koloratzailearen zein forma da nagusi, eta zerk eraman du egoera horretara?
• Botila geldirik dago eta kolorea galtzen du. Zein erreakzio ari da nagusitzen, eta zein osagai kontsumitzen da?
• Ziklo askoren ondoren, urdina ahul eta horixka bihurtzen da. Berreskuratzeko, koloratzailea, alkalia edo glukosa gehitu behar da, eta zergatik?
• Marraztu ziklo bateko kolorea denboraren arabera. Adierazi non sartzen den oxigenoa disoluzioan.

Irakaslearentzako erantzunak: (1) metileno urdin oxidatua, goiko aire-eremutik disolbatutako oxigenoak berriz oxidatua; (2) glukosak eragindako erredukzioa, glukosa kontsumituz; (3) glukosa, emaile mugatzailea, koloratzaileak aldatu gabe ziklatzen duelako; (4) igoera bizkorra astintzean, jaitsiera pixkanakoa geldirik dagoenean, eta oxigenoa igoeran soilik sartzen da.

Aipatzea merezi duten hurbileko aldaerak

Semaforoaren erakustaldiak indigo karmina erabiltzen du ordez, eta oxigenazioarekin horitik gorrira eta berdera igarotzen da. Botila berdea izena modu laxoan erabiltzen da: batzuetan aldaera horretarako, eta beste batzuetan formulazio berdeagoetarako, hala nola azido askorbikoko sistemetarako edo American Chemical Society-k deskribatutako ziklatze-sistema entzimatiko baterako. Aipatu laborategiko mahaian dagoen aldaera zehatza, ikasleek kimika desberdinetako behaketak nahas ez ditzaten.

Segurtasuna eta manipulazioa

Gainbegiratzea une oro. Erabili zipriztin kimikoen aurkako begi-babesa eta eskularruak disoluzio alkalinoa manipulatzean edo tapoidun ontzia astintzean. Alkaliak erredurak eragin ditzake, koloratzaileak azala eta ehunak tindatzen ditu, eta etanolean prestatutako koloratzaile-disoluzioek disolbatzaile sukoia gehitzen dute laborategiko mahaira. Mantendu ontzia itxita astintzen den bitartean. Ondoren, gorde erabilitako disoluzioak zure erakundeko laborategi-arauei jarraituz kudeatzeko. Hondakin alkalino eta koloratzailedunak kudeatzeko eskakizunak erakundearen eta jurisdikzioaren arabera aldatzen dira; beraz, jarraitu zure laborategiak ezarritako prozedurari, beste iturri batekoa zuzenean hartu beharrean.

Kolore-aldaketen ordez zenbakizko datuak nahi badituzu, metileno urdina neurtzeko saiakuntza kuantitatiboek erakustaldi hau amaitzen den puntutik jarraitzen dute.

Zergatik mantentzen dute irakasleek botila hau

Matraze bakar batek lau ideia biltzen ditu. Redox prozesua kolore bihurtzen da, definizio hutsa izan beharrean. Bitartekari batek erakusten du substantzia baten aztarna batek beste baten masa handiago baten egoeraren berri nola ematen duen. Zinetika termodinamikatik modu ikusgarrian bereizten da: oxigenoa nagusitzen da astintzeak hura hornitzen duen bitartean, eta glukosa nagusitzen da hornidura eteten denean. Eta difusioak, kimikako prozesu isilenetakoak, emanaldi osoa ahalbidetzen du, urdin-distira bakoitza oxigenoa airetik uretara igarotzearekin hasten delako. Ikasleei hori guztia kronometro batekin eta taula batekin aurreikusi, neurtu eta azaltzeko aukera ematen dien erakustaldi batek laborategiko mahaian duen lekua merezi du.