Metileno urdinaren eta permanganatoaren difusioa: zer erakusten duen agarreko esperimentuak

Irakasle batek bi putzu egiten ditu agar-plaka batean, bata koloratzaile urdinarekin eta bestea disoluzio morearekin betetzen ditu, eta ikasleei behatzeko esaten die. Ordubete geroago, eraztun morea zabalagoa da. Ikasleek idazten dute potasio permanganatoa metileno urdina baino azkarrago hedatzen dela, arinagoa delako.

Esaldi hori erdi zuzena eta erdi engainagarria da, eta erdi engainagarria da alderdi interesgarria. Erakustaldia difusioari buruzko ohiko ikasgaia da, adibidez agarreko difusioari buruzko laborategiko ariketa honetan deskribatua, baina ikasleek ikusten dutena ez da pisu molekularra lanean. Gel batean zehar ikus daitekeen kolore-ertzaren mugimendua da, eta ioiaren tamainak, hidratazioak, koloratzailearen loturak, kontzentrazioak, tenperaturak eta ertza neurtzeko moduak baldintzatzen dute.

Koloretako ertza ez da difusio-koefizientea

Difusioa disolbatutako partikulen hedapena da, kontzentrazio handiko eremuetatik kontzentrazio txikikoetara. Difusio-koefizienteak, normalean D bidez adieraziak, deskribatzen du zein azkar gertatzen den hedapen hori solutu jakin baterako, ingurune jakin batean eta tenperatura jakin batean.

Ikasgelako plaka batek ez du D zuzenean erakusten. Kolorea ikusteko ahulegia bihurtzen den muga erakusten du. Muga hori koloratzailearen absortibitatearen, argiztapenaren, kameraren esposizioaren, putzuan jarritako kontzentrazioaren eta erregela darabilen pertsonaren irizpidearen araberakoa da, baita difusioaren beraren araberakoa ere.

Eman ikasgelako neurketari dagokion izena: ikus daitekeen difusio-fronte baten mugimendua. Azalpen formalek batez besteko desplazamendu koadratikoa D-rekin erlazionatzen dute, Ficken difusioaren analisian aurki daitezkeen motako erlazioen bidez; baina D doitzeko kontzentrazio-profilak behar dira denboran zehar, ez klasearen amaierako diametro bakarra. Argitaratutako ikasgelako ikerketa batek metileno urdinaren 4.5 bider 10^-10 m^2/s inguruko difusibitatea lortu zuen gelean, distantziaren karratua denboraren arabera grafikoki adieraziz, azken orbanen tamainak alderatu beharrean. Une bakarreko irudi batek ezin du hori egin.

Hori da erakustaldiaren oinarrian dagoen kontzeptua; gainerako guztia plakak kontzeptu hori zenbateraino leial adierazten duenaren xehetasuna da.

Koloretako bi ioi, ez bi molekula

Solutuetako bat ere ez da agarrean zehar mugitzen botilan inprimatutako formularen moduan. Biak elektrolito sendoak dira, eta uretan disoziatzen dira.

Potasio permanganatoa (KMnO4, formula-masa gutxi gorabehera 158.03 g/mol) potasio-ioietan eta permanganato-ioietan bereizten da. Mugitzen den espezie morea MnO4^- permanganato-ioia da, gutxi gorabehera 118.94 g/mol-ko masa duena, ur-geruza batez inguratua. Metileno urdin kloruroa (C16H18ClN3S gatz anhidroa, gutxi gorabehera 319.85 g/mol) kloruroan eta MB^+ katioi organiko urdinean bereizten da; azken horrek gutxi gorabehera 284.41 g/mol-ko masa du, eta hidratatuta dago hura ere. NISTen metileno urdinari buruzko erregistroak eta ChEBIko metileno urdinari buruzko sarrerak forma horiek dokumentatzen dituzte, eta kimikari eta egiturari buruzko erreferentziak azaltzen du zergatik behar dituzten katioiak, gatz anhidroak eta hidratoek izen bereiziak.

Hortik hiru ondorio ateratzen dira.

Lehenik, 158 eta 320 alderatzeak koloretako ioien arteko benetako tamaina-aldea gutxiesten du: gutxi gorabehera 119 g/mol-ko espezie morea gutxi gorabehera 284 g/mol-ko katioi urdina baino askoz txikiagoa da, eta biek tamaina eraginkorra handitzen duten hidratazio-geruzak dituzte.

Bigarrenik, metileno urdinaren katioiak gainazaletara atxikitzen dira. Kontzentrazioa handitu ahala, dimeroak eta agregatu handiagoak eratzen dituzte, eta agarrean adsorbatzen dira; agarreko adsortzioari buruzko ikerketek monomeroen nahiz dimeroen lotura dokumentatu dute. Adsorbatutako koloratzailea geldirik geratzen da. Gela koloreztatzen du, frontea aurrerarazi gabe.

Hirugarrenik, ohiko erreaktibo-hautsa hidrato bat da; beraz, pisatutako gramo batek ura dauka kristalean. Trihidratoaren eta forma anhidroaren arteko konparazioak erakusten du horrek nola aldatzen duen molaritatea. Ikasgelan bidezko konparazioa egiteko, prestatu gatzen kontzentrazio molar bereko disoluzioak, eta erregistratu zer forma solido erabili den.

Zergatik arinagoak ez duen hemen azkarragoa esan nahi

Likido diluituetan, masa baino hasierako eredu hobea Stokes-Einsteinen eredua da: difusibitatea tenperaturarekiko zuzenki proportzionala da, eta biskositatearekiko eta erradio hidrodinamikoarekiko alderantziz proportzionala. Tamaina hidratatu txikiagoak abantaila du. Familia kimiko berean, masa txikiagoa sarritan tamaina txikiagoarekin korrelazionatzen da; beraz, arinagoa izateak azalpen bat dirudi. Korrelazio bat da, ez mekanismoa.

Grahamen legeak dio gasen efusio-abiadurak masa molarraren erro karratuaren alderantzizkoarekiko proportzionalak direla, baina ez du plaka hau gobernatzen. Haren deribazioa gasen teoria zinetikoari dagokio, OpenStaxen gasen efusioari eta difusioari buruzko azalpen honetan laburbildua. Likidoek erresistentzia likatsua, hidratazioa, formaren ondorioak eta pilaketa gehitzen dituzte. Gelek poro-egitura, tortuositatea, adsortzioa eta polimeroarekiko karga-interakzioak gehitzen dituzte.

Zenbakiek aldea agerian uzten dute. Grahamen legea 158 eta 320 balioei aplikatuz gero, gutxi gorabehera 1.42-ko abiadura-erlazioa aurreikusten da. Uretako disoluzio diluituetan neurtutako difusibitateek beste zerbait erakusten dute: permanganatoarena 1.6 eta 1.8 bider 10^-9 m^2/s artekoa da gutxi gorabehera, eta metileno urdinarena 4.5 eta 5 bider 10^-10 m^2/s artekoa; erlazioa 3 edo 4tik hurbilago dago. Masak bakarrik ezin du erlazio hori eragin. Tamaina hidratatuak, agregazioak eta gelarekiko loturak azaltzen dute gainerakoa.

Hartu «arinagoa, azkarragoa» zenbait suposizio dituen eredu gisa: partikula esferikoak, loturarik ez, agregaziorik ez eta baldintza berdinak. Plakak gutxienez horietako bi urratzen ditu.

Nola egin bidezko konparazioa

Erakustaldiak softwareak bezala huts egiten du: oinarrizko ideia zuzena da, baina ideiatik neurketara doan bidea tranpaz beteta dago. Faktore horietako bakoitzak emaitza aldatzen du, inolako propietate molekularrik aldatu gabe.

Erabili agar-sorta bakarra, lodiera berean isuria, putzuak egiteko tresna bakarra, likido-bolumen berdinak, kontzentrazio molar berdinak eta metileno urdinaren agregazioa mugatzeko eta kolorea saturatu gabe mantentzeko adina kontzentrazio txikiak. Egin gutxienez hiru putzu errepikatu solutu bakoitzeko, fronteak inoiz elkartuko ez diren tartearekin. Estali plakak, mantendu horizontal eta eutsi tenperatura konstanteari, agarreko koloratzaileei buruzko lanek tenperaturarekiko eta kontzentrazioarekiko mendekotasun handia erakusten baitute. Definitu zero unea putzua betetzeko une gisa, eta definitu ertza neurtu aurretik: argazkietako atalase finko bat begiz zehaztutako muga baino hobea da, urdinak eta moreak ikusmen bidezko detekzio-muga desberdinak baitituzte. Erregistratu elkarren perpendikularrak diren bi diametro orban bakoitzeko, eta bihurtu batez besteko erradio; erradioa eta diametroa nahasteak distantzia karratuaren edozein grafiko lau aldiz desitxuratzen du.

Etiketak: ezkerreko panelak fronte bakoitzaren erradioa erakusten du goitik ikusita, putzuaren ertzetik kolorearen ertzera neurtuta; eskuineko panelak agarraren ebakidura erakusten du, putzuaren sakonerarekin eta kanporantz hedatzen diren gradiente-haloekin; legendak kontrolatutako aldagaiak zerrendatzen ditu (agar-ehunekoa, lodiera, koloratzailearen molaritatea, bolumena, putzuaren tamaina, tenperatura, zero unea, argiztapena).

Kontuz itxura engainagarriekin. Agarraren gainazalean isuritako likidoak difusio azkarra dirudi, eta agar-putzu txikietan dokumentatutako artefaktua da. Permanganatoa oxidatzaile sendoa da, eta material organikoaren aztarnek kontsumi dezakete; horrek haren frontea geldiarazten du edo kolorea kentzen dio. Metileno urdina erredox-aktiboa da, eta argipean edo baldintza erreduktoreetan kolorea gal dezake; metileno urdinaren eta haren forma erreduzitu koloregabearen erredox-kimikari buruzko artikuluak portaera hori azaltzen du.

Disolbatzaileari buruzko ohar labur bat: erakustaldi estandarreko bi putzuek ur-disoluzioak dituzte. Protokolo batek inoiz disolbatzailea aldatzen badu, kontsultatu lehenik disolbagarritasunari eta disoluzioak prestatzeari buruzko gida, disolbagarritasuna eta agregazioa ingurunearen arabera aldatzen baitira.

Ikasgelako behaketa-orria

Kopiatu taula hau koadernoetan edo inprimatu errenkada bat putzu bakoitzeko. Plaka bakoitzeko taula bat erabiltzeak errepikapenak behar bezala erregistratzen laguntzen du.

Analisia egiteko, irudikatu putzu bakoitzaren batez besteko erradioaren karratua igarotako denboraren arabera, eta alderatu maldak, grafikoaren ondoan ertzaren definizioa adieraziz. Sei kurbak beren sakabanaketarekin erakusten badira, ikasleek aldakortasuna datu gisa ikusten dute, ez lotsatzeko arrazoi gisa.

Segurtasuna protokoloaren parte da: erabili eskularruak eta begietarako babesa, metileno urdinak azala eta arropa zikintzen baititu, eta permanganatoa orbanak eta narritadura eragiten dituen oxidatzailea baita. Ez eraman disoluzioak ahora, lan egin erretilu baten gainean, eta bota plakak eta likidoak eskolako hondakin kimikoak kudeatzeko sistemaren bidez, harraskatik bota beharrean.

Idaztea merezi duen esaldia

Agar-, kontzentrazio- eta tenperatura-baldintza hauetan, permanganatoaren fronte ikusgaia metileno urdinarena baino azkarrago hedatzen da normalean. Hori bat dator permanganatoak difusibitate eraginkor handiagoa izatearekin, neurri handi batean haren ioi hidratatua askoz txikiagoa delako eta ez delako agregatzen edo agarrari lotzen metileno urdinaren moduan. Hemen masa molekularra tamaina-alde horrekin korrelazionatzen da, baina masak bakarrik ez ditu likidoetako edo geletako difusio-abiadurak zehazten.

Esaldi hori idazten duten ikasleek bi gauza ikasi dituzte: koloretako bi ioiri buruzko datu bat, eta erakustaldi batek zer neurtzen duen galdetzeko ohitura, itxuraz esaten duenaz fidatu aurretik.