مقاله
آزمایش بطری آبی: شیمی، روش اجرا و مشاهدات
یک بطری شفاف روی میز آزمایشگاه قرار دارد. شبیه آب به نظر می‌رسد. کسی آن را تکان می‌دهد و مایع به رنگ آبی زنده درمی‌آید. وقتی بطری را زمین می‌گذارند، رنگ آبی ظرف یک یا دو دقیقه محو می‌شود. دوباره آن را تکان دهید و رنگ آبی بازمی‌گردد. یک بار پرکردن بطری می‌تواند این چرخه را بیست بار یا بیشتر تکرار کند.
دانش‌آموزان معمولاً حدس می‌زنند چیزی در بطری پنهان بوده است یا تکان‌دادن دو لایه را با هم مخلوط کرده است. هر دو حدس به‌شکلی آموزنده نادرست‌اند. رنگ از یک رنگینه واحد، متیلن بلو، می‌آید که در سراسر محلول وجود دارد. چیزی که تغییر می‌کند تعداد الکترون‌هایی است که رنگینه حمل می‌کند. این نمایش، چرخه‌ای اکسایش‌کاهش است که قابل مشاهده شده و هر متغیری که کلاس می‌تواند ببیند، از زمان تکان‌دادن و دما گرفته تا غلظت، با بخشی از شیمی واکنش ارتباط دارد.
دو شکل از یک رنگینه
متیلن بلو اکسیدشده یک سامانه حلقوی تخت با بار مثبت است. این ماده در محدوده 600 تا 700 nanometres جذب شدیدی دارد که چشم آن را به‌صورت آبی تیره می‌بیند. دو شکل این ماده و طیف‌های آن‌ها در راهنمای ساختار و خواص متیلن بلو توضیح داده شده‌اند.
کاهش، دو الکترون و یک پروتون اضافه می‌کند و لوکومتیلن بلو را به وجود می‌آورد: بدون بار، غیرتخت و عملاً بی‌رنگ. در محلول قلیایی، نیم‌واکنش به این صورت است: MB+ + H2O + 2 e- ⇌ LMB + OH-. این مرحله کاملاً برگشت‌پذیر است. آبی به معنی اکسیدشده و بی‌رنگ به معنی کاهش‌یافته است و حالت سومی برای دنبال‌کردن وجود ندارد؛ همین ویژگی آن را به مواجهه‌ای ساده و روشن با شیمی اکسایش‌کاهش تبدیل می‌کند.
چرخه: گلوکز کاهش می‌دهد، اکسیژن دوباره اکسید می‌کند
بطری سه ماده مؤثر دارد: متیلن بلو، گلوکز و یک قلیای قوی، یعنی پتاسیم هیدروکسید یا سدیم هیدروکسید. قلیا گلوکز را به شکل‌های واکنش‌پذیر و دپروتونه تبدیل می‌کند که به رنگینه الکترون می‌دهند:
قند کاهنده + MB (آبی، اکسیدشده) -> محصولات اکسیدشده قند + LMB (بی‌رنگ)
این مرحله آهسته هنگام ساکن‌بودن بطری باعث ازبین‌رفتن رنگ می‌شود. گلوکز دهنده فداشونده است و مصرف می‌شود. رنگینه فقط الکترون‌ها را جابه‌جا می‌کند، بنابراین چند قطره برای یک بطری کامل کافی است. توضیح‌های قدیمی‌تر کلاسی می‌گویند گلوکز به اسید گلوکونیک تبدیل می‌شود. این بیان ساده‌شده مشاهدات را پیش‌بینی می‌کند، اما مدرسان باید بدانند کامل نیست: یک تحلیل سازوکاری منتشرشده در Royal Society Open Science نشان می‌دهد اکسایش از طریق یک ان‌دیولات واکنش‌پذیر به یک دی‌کربونیل می‌رسد که سپس به اسیدهای کوچک‌تر تجزیه می‌شود.
تکان‌دادن نتیجه قابل مشاهده را معکوس می‌کند. آشفتگی باعث حل‌شدن اکسیژن موجود در هوای فضای بالای مایع می‌شود و اکسیژن، رنگینه کاهش‌یافته را دوباره اکسید می‌کند:
LMB (بی‌رنگ) + O2 -> MB (آبی) + محصولات کاهش‌یافته اکسیژن
وقتی بطری ساکن می‌ماند، اکسیژن محلول تمام می‌شود، گلوکز دوباره رنگینه را کاهش می‌دهد و رنگ محو می‌شود. در طول چرخه‌های متعدد، شیمی خالص فرایند اکسایش قند به‌وسیله هوا است، درحالی‌که رنگینه به‌عنوان واسطه اکسایش‌کاهش بدون تغییر در چرخه می‌چرخد. این ماده واسطه است نه یک کاتالیزور به معنای دقیق، زیرا اکسایش قند بدون آن نیز انجام می‌شود؛ همچنین محوشدن رنگ ناشی از تجزیه نیست، چون رنگینه تخریب‌شده با تکان‌دادن دوباره احیا نمی‌شد. برای پایدار نگه‌داشتن محلول‌های ذخیره رنگینه بین نمایش‌ها، یادداشت‌های مربوط به نگهداری و ذخیره محلول‌های متیلن بلو را ببینید.
روش اجرای یک نمایش تحت نظارت
این یک نمایش تحت نظارت است، نه فعالیتی خانگی. قلیا به محافظ چشم، دستکش و مدرسی نیاز دارد که مسئول آماده‌سازی و پاک‌سازی باشد. دو فرمول مستند از نظر ساختار یکسان‌اند و فقط از نظر مقیاس تفاوت دارند.
برگه دستورالعمل نمایش منتشرشده توسط بخش شیمی Indiana University تقریباً از 5 percent پتاسیم هیدروکسید، 4 percent گلوکز و 1 percent محلول آبی متیلن بلو استفاده می‌کند. حجم‌های مساوی از محلول قلیا و گلوکز را در یک بطری شفاف 250 or 500 millilitre بریزید تا بطری تا نیمه پر شود و بقیه آن به‌عنوان فضای هوا باقی بماند. چند قطره رنگینه اضافه کنید، درپوش را ببندید، محل اتصال را آب‌بندی کنید و بطری را ساکن بگذارید تا رنگ آبی از بین برود. روش Royal Society of Chemistry همین ایده را در مقیاس یک فلاکسک درب‌دار 1 litre اجرا می‌کند: 300 millilitres آب، 10 grams گلوکز، 8 grams پتاسیم هیدروکسید (یا 6 grams سدیم هیدروکسید)، به‌علاوه چند millilitres از محلول ذخیره رقیق رنگینه.
برای اجرا، فلاکسک را به‌شدت تکان دهید. رنگ آبی کامل ظرف چند ثانیه ایجاد می‌شود. فلاکسک را زمین بگذارید و زمان محوشدن رنگ را اندازه‌گیری کنید. Royal Society of Chemistry بیش از بیست چرخه را برای هر بار پرکردن گزارش می‌کند. هرگز بطری را تا لبه پر نکنید: بدون هوای محبوس، ذخیره‌ای از اکسیژن برای حل‌شدن وجود ندارد.
چه چیزی را مشاهده کنید و چه عواملی زمان‌بندی را تغییر می‌دهند
سه چیز را زمان‌گیری کنید: مدت تکان‌دادن تا رسیدن به آبی کامل (seconds)، زمان سکون تا بی‌رنگ‌شدن (تا چند دقیقه) و تعداد چرخه‌ها پیش از ضعیف‌شدن رنگ آبی. نزدیک پایان هر مرحله محوشدن، سطح مایع را نگاه کنید. اغلب یک لایه نازک آبی در مرز تماس با هوا باقی می‌ماند، جایی که اکسیژن همچنان به داخل نفوذ می‌کند. آن خط، انتشار را به‌صورت قابل مشاهده نشان می‌دهد.
واکنش بطری آبی از قانون سرعت تجربی گزارش‌شده همراه با روش Royal Society of Chemistry پیروی می‌کند: rate = k[MB oxidised][glucose]OH-. هر جمله از این رابطه می‌تواند یک آزمایش کلاسی باشد. افزایش گلوکز، قلیا یا رنگینه دوره آبی‌بودن را کوتاه می‌کند. گرما محوشدن را سریع‌تر می‌کند؛ فلاکسک سرد کندتر واکنش می‌دهد. تکان‌دادن شدیدتر اکسیژن بیشتری حل می‌کند، بنابراین رنگ آبی مدت بیشتری باقی می‌ماند. فضای هوای بزرگ‌تر مدت اجرای چرخه‌ها را افزایش می‌دهد. وقتی چرخه‌ها در نهایت ضعیف می‌شوند و مایع به زردی می‌زند، قند مصرف شده و محصولات جانبی تجمع یافته‌اند. همین نقطه پایانی نیز نتیجه‌ای است که ارزش ثبت‌کردن دارد.
برگه ثبت مشاهدات
این جدول را در دفترها کپی کنید، برای هر آزمون یک ردیف. این برگه به‌همراه نمودار واکنش بالا، منابع قابل چاپ این مقاله هستند.
| آزمون | شرایط تغییرکرده | زمان تکان‌دادن (s) | زمان تا آبی کامل (s) | زمان تا بی‌رنگ‌شدن | یادداشت‌ها (شدت رنگ، دما) |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | حالت پایه | ||||
| 2 | |||||
| 3 |
پرسش‌های پیش‌بینی که باید پیش از هر آزمون پاسخ داده شوند:
- بطری بلافاصله پس از تکان‌دادن آبی است. کدام شکل رنگینه غالب است و چه چیزی آن را به این حالت رسانده است؟
- بطری ساکن می‌ماند و رنگ محو می‌شود. کدام واکنش غالب شده و کدام ماده مصرف می‌شود؟
- پس از چرخه‌های زیاد، رنگ آبی کم‌رنگ و متمایل به زرد می‌شود. برای احیای آن باید رنگینه، قلیا یا گلوکز اضافه کرد، و چرا؟
- تغییر رنگ نسبت به زمان را برای یک چرخه رسم کنید. مشخص کنید اکسیژن در کجا وارد محلول می‌شود. پاسخ‌های مدرس: (1) متیلن بلو اکسیدشده که به‌وسیله اکسیژن محلولِ فضای بالای مایع دوباره اکسید شده است؛ (2) کاهش به‌وسیله گلوکز، با مصرف‌شدن گلوکز؛ (3) گلوکز، یعنی دهنده محدودکننده، زیرا رنگینه بدون تغییر در چرخه می‌چرخد؛ (4) افزایش تند هنگام تکان‌دادن، کاهش تدریجی هنگام سکون، ورود اکسیژن فقط در مرحله افزایش.
خویشاوندان نزدیک که ارزش نام‌بردن دارند
نمایش چراغ راهنمایی از ایندیگو کارمین استفاده می‌کند و هنگام اکسیژن‌رسانی به‌ترتیب از زرد، قرمز و سبز عبور می‌کند. نام بطری سبز به‌شکل دقیقی به یک مورد واحد اشاره ندارد: گاهی برای همین نوع و گاهی برای فرمول‌های سبزتر مانند سامانه‌های اسید اسکوربیک یا یک سامانه چرخه‌ای آنزیمی توصیف‌شده توسط American Chemical Society به کار می‌رود. مشخص کنید کدام نوع روی میز آزمایشگاه قرار دارد تا دانش‌آموزان مشاهدات مربوط به شیمی‌های متفاوت را با هم ترکیب نکنند.
ایمنی و کار با مواد
در تمام مدت نظارت لازم است. هنگام کار با محلول قلیایی یا تکان‌دادن ظرف درب‌دار، از محافظ چشم در برابر پاشش مواد شیمیایی و دستکش استفاده کنید. قلیا باعث سوختگی می‌شود، رنگینه پوست و پارچه را لکه‌دار می‌کند و محلول‌های ذخیره رنگینه که با اتانول تهیه شده‌اند یک حلال قابل اشتعال نیز به میز آزمایشگاه اضافه می‌کنند. هنگام تکان‌دادن، ظرف را بسته نگه دارید. پس از پایان کار، محلول‌های مصرف‌شده را برای مدیریت مطابق مقررات آزمایشگاهی مؤسسه خود نگهداری کنید. الزامات مربوط به پسماند قلیاییِ حاوی رنگینه میان مؤسسات و حوزه‌های قضایی متفاوت است؛ بنابراین از رویه آزمایشگاه خودتان پیروی کنید، نه روشی که از منبعی دیگر گرفته شده است.
اگر به‌جای تغییر رنگ به داده‌های عددی نیاز دارید، آزمون‌های کمی متیلن بلو از جایی ادامه می‌دهند که این نمایش به پایان می‌رسد.
چرا مدرسان این بطری را نگه می‌دارند
یک فلاکسک چهار مفهوم را در خود جمع می‌کند. اکسایش‌کاهش به‌جای یک تعریف، به یک رنگ تبدیل می‌شود. یک واسطه نشان می‌دهد چگونه مقدار ناچیزی از یک ماده می‌تواند وضعیت مقدار زیادی از ماده‌ای دیگر را گزارش کند. سینتیک به‌شکلی قابل مشاهده از ترمودینامیک جدا می‌شود: تا زمانی که تکان‌دادن اکسیژن فراهم می‌کند، اکسیژن غالب است و وقتی این تأمین متوقف می‌شود، گلوکز غالب می‌شود. و انتشار، یکی از آرام‌ترین فرایندهای شیمی، پایه کل این نمایش است، زیرا هر درخشش آبی با عبور اکسیژن از هوا به آب آغاز می‌شود. نمایشی که به دانش‌آموزان اجازه می‌دهد همه این موارد را فقط با یک کرنومتر و یک جدول پیش‌بینی، زمان‌گیری و توضیح دهند، جای خود را روی میز آزمایشگاه به دست آورده است.