Sinisen pullon koe: kemia, menettely ja havainnot

Kirkas pullo seisoo työpöydällä. Se näyttää sisältävän vettä. Joku ravistaa sitä, ja neste muuttuu kirkkaan siniseksi. Kun pullo asetetaan pöydälle, sininen väri häviää minuutin tai kahden kuluessa. Kun pulloa ravistetaan uudelleen, sininen palaa. Samalla täytöllä tämä voidaan toistaa kaksikymmentä kertaa tai useammin.

Oppilaat arvaavat yleensä, että pullossa oli jotakin piilossa tai että ravistaminen sekoitti kaksi kerrosta. Molemmat arvaukset osoittautuvat opettavaisella tavalla vääriksi. Väri tulee yhdestä väriaineesta, metyleenisinisestä, jota on kaikkialla liuoksessa. Muuttuva asia on se, kuinka monta elektronia väriaine kantaa. Demonstraatiossa redox-sykli tehdään näkyväksi, ja jokainen luokan havaittavissa oleva muuttuja, ravistusaika, lämpötila, pitoisuus, vastaa jotakin kemian osatekijää.

Saman väriaineen kaksi muotoa

Hapettunut metyleenisininen on tasomainen, positiivisesti varautunut rengasjärjestelmä. Se absorboi voimakkaasti noin 600–700 nanometrin alueella, minkä silmä havaitsee syvänsinisenä. Näitä kahta muotoa ja niiden spektrejä käsitellään metyleenisinisen rakennetta ja ominaisuuksia käsittelevässä oppaassa.

Pelkistyminen lisää kaksi elektronia ja protonin, jolloin muodostuu leukometyleenisinistä: varauksetonta, ei-tasomaista ja käytännössä väritöntä. Emäksisessä liuoksessa puolireaktio on MB+ + H2O + 2 e- ⇌ LMB + OH-. Vaihe on täysin palautuva. Sininen tarkoittaa hapettunutta, väritön pelkistynyttä, eikä seurattavana ole kolmatta tilaa, mikä tekee tästä selkeän ensimmäisen tutustumisen redox-kemiaan.

Sykli: glukoosi pelkistää, happi hapettaa uudelleen

Pullossa on kolme toimivaa ainesosaa: metyleenisininen, glukoosi ja vahva emäs, kalium- tai natriumhydroksidi. Emäs muuttaa glukoosia reaktiivisiksi deprotonoituneiksi muodoiksi, jotka luovuttavat elektroneja väriaineelle:

pelkistävä sokeri + MB (sininen, hapettunut) -> hapettuneet sokerituotteet + LMB (väritön)

Tämä hidas vaihe poistaa värin pullon seistessä. Glukoosi toimii uhrautuvana elektroninluovuttajana ja kuluu reaktiossa. Väriaine vain kuljettaa elektroneja, joten muutama tippa riittää koko pullolle. Vanhemmissa opetukseen tarkoitetuissa kuvauksissa sanotaan, että glukoosi muuttuu glukonihapoksi. Tämä yksinkertaistus ennustaa havainnot, mutta opettajien on hyvä tietää, ettei se ole täydellinen: Royal Society Open Science -lehdessä julkaistu mekanistinen analyysi jäljittää hapettumisen reaktiivisen enediolaatin kautta dikarbonyyliyhdisteeseen, joka pilkkoutuu pienemmiksi hapoiksi.

Ravistaminen kääntää näkyvän lopputuloksen. Sekoitus liuottaa pullon ylätilan ilmasta happea, ja happi hapettaa pelkistyneen väriaineen uudelleen:

LMB (väritön) + O2 -> MB (sininen) + pelkistyneet happituotteet

Kun pullo jätetään seisomaan, liuennut happi loppuu, glukoosi pelkistää väriaineen uudelleen ja väri haalistuu. Monien syklien aikana nettoreaktio on sokerin hapettuminen ilman vaikutuksesta samalla, kun väriaine kiertää muuttumattomana redox-välittäjänä. Se on välittäjä eikä varsinainen katalyytti, koska sokerin hapettuminen tapahtuu myös ilman sitä, eikä haalistuminen ole hajoamista: tuhoutunutta väriainetta ei voisi palauttaa ravistamalla. Väriainevarastoliuosten säilyttämisestä demonstraatioiden välillä kerrotaan metyleenisiniliuosten käsittelyä ja säilytystä koskevissa ohjeissa.

Menettely valvottuun demonstraatioon

Tämä on valvottu demonstraatio, ei kotona tehtävä harjoitus. Emäs edellyttää silmiensuojausta, käsineitä ja ohjaajaa, joka vastaa valmistelusta ja siivouksesta. Kaksi dokumentoitua koostumusta noudattaa samaa periaatetta mutta eri mittakaavassa.

Indiana Universityn kemian laitoksen julkaisemaan demonstraatioon liittyvä ohje käyttää noin 5 prosenttia kaliumhydroksidia, 4 prosenttia glukoosia ja 1 prosenttia metyleenisinisen vesiliuosta. Kaada yhtä suuret tilavuudet emäs- ja glukoosiliuosta läpinäkyvään 250 tai 500 millilitran pulloon, kunnes se on puolillaan, ja jätä loppu ilmatilaksi. Lisää muutama tippa väriainetta, sulje korkki, tiivistä sauma ja anna seistä, kunnes sininen väri häviää. Royal Society of Chemistryn menettely toteuttaa saman periaatteen 1 litran tulpallisessa pullossa: 300 millilitraa vettä, 10 grammaa glukoosia, 8 grammaa kaliumhydroksidia (tai 6 grammaa natriumhydroksidia) sekä muutama millilitra laimeaa väriainevarastoliuosta.

Demonstraatio tehdään ravistamalla voimakkaasti. Täysi sininen väri kehittyy muutamassa sekunnissa. Aseta pullo pöydälle ja mittaa haalistumiseen kuluva aika. Royal Society of Chemistry raportoi yli kaksikymmentä sykliä yhdellä täytöllä. Älä koskaan täytä pulloa aivan täyteen: ilman pullon sisään jäävää ilmaa liukenemaan pääsevää happivarastoa ei ole.

Mitä havainnoida ja mikä muuttaa ajoitusta

Mittaa kolme asiaa: ravistuksesta täyteen siniseen kuluva aika (sekunteina), seistessä värittömäksi muuttumiseen kuluva aika (enintään muutama minuutti) ja syklien määrä ennen sinisen heikkenemistä. Tarkkaile pintaa kunkin haalistumisvaiheen lopussa. Ohut sininen kerros jää usein hetkeksi näkyviin ilman ja nesteen rajapintaan, jossa happea diffundoituu jatkuvasti liuokseen. Tämä rajaviiva tekee diffuusion näkyväksi.

Sinisen pullon reaktio noudattaa Royal Society of Chemistryn menettelyn yhteydessä raportoitua empiiristä nopeuslakia: rate = k[MB oxidised][glucose]OH-. Jokainen termi tarjoaa oman luokkahuonekokeensa. Suurempi glukoosin, emäksen tai väriaineen määrä lyhentää sinisen vaiheen kestoa. Lämpö nopeuttaa haalistumista; kylmä pullo reagoi hitaammin. Voimakkaampi ravistaminen liuottaa enemmän happea, joten sininen säilyy pidempään. Suurempi ilmatila pidentää kokeen kestoa. Kun syklit lopulta heikkenevät ja neste kellastuu, sokeri on kulunut loppuun ja sivutuotteita on kertynyt. Myös tämä päätepiste on tallentamisen arvoinen tulos.

Havaintotyöskentely

Kopioi tämä taulukko vihkoihin, yksi rivi kutakin koetta kohti. Tämä työskentelytaulukko ja yllä oleva reaktiokaavio ovat tämän artikkelin tulostettavat aineistot.

Ennustekysymykset, joihin vastataan ennen jokaista koetta:

• Pullo on sininen heti ravistamisen jälkeen. Kumpi väriaineen muoto on hallitseva, ja mikä sai sen tähän tilaan?
• Pullo seisoo ja väri haalistuu. Kumpi reaktio hallitsee, ja mikä ainesosa kuluu?
• Monien syklien jälkeen sininen muuttuu haaleaksi ja kellertäväksi. Palautetaanko se väriaineella, emäksellä vai glukoosilla, ja miksi?
• Piirrä yhden syklin väri ajan funktiona. Merkitse kohta, jossa happi siirtyy liuokseen.

Opettajan vastaukset: (1) hapettunut metyleenisininen, jonka liuennut ylätilan happi on hapettanut uudelleen; (2) glukoosin aiheuttama pelkistyminen, glukoosia kuluu; (3) glukoosi, rajoittava luovuttaja, koska väriaine kiertää muuttumattomana; (4) jyrkkä nousu ravistettaessa, asteittainen lasku seistessä, hapen siirtyminen vain nousun aikana.

Läheiset muunnelmat, jotka kannattaa nimetä

Liikennevalodemonstraatiossa käytetään indigo carmine -väriainetta, ja hapetuksen myötä väri vaihtuu keltaisen, punaisen ja vihreän kautta. Nimitystä green bottle käytetään väljästi: joskus tästä muunnelmasta, joskus vihreämmistä koostumuksista, kuten askorbiinihappojärjestelmistä tai American Chemical Societyn kuvaamasta entsymaattisesta kiertojärjestelmästä. Nimeä työpöydällä oleva muunnelma selvästi, jotta oppilaat eivät sekoita eri kemiallisten järjestelmien havaintoja keskenään.

Turvallisuus ja käsittely

Valvonta koko ajan. Käytä kemikaaliroiskeilta suojaavia silmäsuojaimia ja käsineitä emäksistä liuosta käsiteltäessä tai tulpallista astiaa ravistettaessa. Emäs aiheuttaa syövytysvammoja, väriaine tahraa ihoa ja tekstiilejä, ja etanoliin valmistetut väriainevarastoliuokset tuovat työpöydälle syttyvän liuottimen. Pidä astia suljettuna ravistamisen aikana. Säilytä käytetyt liuokset jälkikäsittelyä varten oman oppilaitoksesi laboratoriokäytäntöjen mukaisesti. Emäksisen, väriainetta sisältävän jätteen käsittelyvaatimukset vaihtelevat laitosten ja lainkäyttöalueiden välillä, joten noudata oman laboratoriosi menettelyä sen sijaan, että ottaisit käyttöön toisesta lähteestä peräisin olevan käytännön.

Jos haluat värimuutosten sijaan numeerisia tuloksia, metyleenisinisen kvantitatiiviset määritysmenetelmät jatkavat siitä, mihin tämä demonstraatio päättyy.

Miksi opettajat palaavat tähän pulloon

Yksi pullo tiivistää neljä ajatusta. Redox muuttuu määritelmästä väriksi. Välittäjä osoittaa, kuinka pieni määrä yhtä ainetta voi ilmaista suuren määrän toisen aineen tilaa. Kinetiikka erottuu termodynamiikasta näkyvästi: happi hallitsee niin kauan kuin ravistaminen tuo sitä saataville, glukoosi puolestaan silloin, kun hapen saanti lakkaa. Ja diffuusio, yksi kemian huomaamattomimmista prosesseista, mahdollistaa koko esityksen, koska jokainen sininen välähdys alkaa hapen siirtymisestä ilmasta veteen. Demonstraatio, jossa oppilaat voivat ennustaa, mitata aikaa ja selittää kaiken tämän sekuntikellon ja taulukon avulla, ansaitsee paikkansa laboratoriopöydällä.