બ્લુ બોટલ પ્રયોગ: રસાયણશાસ્ત્ર, પ્રક્રિયા અને અવલોકનો

બેન્ચ પર એક પારદર્શક બોટલ રાખેલી છે. તે પાણી જેવી દેખાય છે. કોઈ તેને હલાવે છે અને પ્રવાહી તેજસ્વી વાદળી થઈ જાય છે. તેને નીચે મૂકી સ્થિર રાખતાં એક કે બે મિનિટમાં વાદળી રંગ ઓસરવા લાગે છે. ફરી હલાવો તો વાદળી રંગ પાછો આવે છે. એક જ ભરાવથી આ પ્રક્રિયા વીસ વખત કે તેથી વધુ પુનરાવર્તિત થઈ શકે છે.

વિદ્યાર્થીઓ સામાન્ય રીતે અનુમાન કરે છે કે બોટલમાં કંઈક છુપાયેલું હતું, અથવા હલાવવાથી બે સ્તરો ભળી ગયા. બંને અનુમાન ઉપયોગી રીતે ખોટા સાબિત થાય છે. રંગ એક જ dye, methylene blue, માંથી આવે છે, જે સમગ્ર પ્રવાહીમાં હાજર હોય છે. બદલાતી બાબત એ છે કે dye કેટલા electrons ધરાવે છે. આ પ્રદર્શન દૃશ્યમાન બનાવાયેલું redox ચક્ર છે, અને વર્ગ જોઈ શકે તેવી દરેક બાબત, હલાવવાનો સમય, તાપમાન, concentration, રસાયણશાસ્ત્રના એક પરિબળ સાથે જોડાય છે.

એક જ dye ના બે સ્વરૂપ

Oxidised methylene blue સપાટ, positively charged ring system છે. તે 600 to 700 nanometres આસપાસ મજબૂત રીતે શોષણ કરે છે, જેને આંખ ગાઢ વાદળી તરીકે ઓળખે છે. બંને સ્વરૂપો અને તેમના spectra વિશે methylene blue ની રચના અને ગુણધર્મોની માર્ગદર્શિકા માં સમજાવ્યું છે.

Reduction બે electrons અને એક proton ઉમેરે છે, જેના કારણે leucomethylene blue બને છે: uncharged, non-planar અને વ્યવહારિક રીતે રંગહીન. Alkaline solution માં half-reaction આ રીતે લખાય છે: MB+ + H2O + 2 e- ⇌ LMB + OH-. આ પગલું સંપૂર્ણપણે reversible છે. વાદળી એટલે oxidised, રંગહીન એટલે reduced, અને ધ્યાનમાં રાખવા માટે કોઈ ત્રીજું state નથી; આ જ કારણથી redox chemistry સાથેનો પ્રથમ પરિચય એટલો સ્પષ્ટ બને છે.

ચક્ર: glucose reduce કરે છે, oxygen ફરી oxidise કરે છે

બોટલમાં ત્રણ કાર્યકારી ઘટકો હોય છે: methylene blue, glucose અને મજબૂત alkali, potassium અથવા sodium hydroxide. Alkali glucose ને reactive deprotonated સ્વરૂપોમાં ફેરવવામાં મદદ કરે છે, જે dye ને electrons આપે છે:

reducing sugar + MB (વાદળી, oxidised) -> oxidised sugar products + LMB (રંગહીન)

બોટલ સ્થિર રાખવામાં આવે ત્યારે આ ધીમું પગલું રંગ દૂર કરે છે. Glucose sacrificial donor છે અને તેનો વપરાશ થાય છે. Dye માત્ર electrons વહન કરે છે, તેથી થોડાં ટીપાં આખી બોટલ માટે પૂરતાં થાય છે. જૂના વર્ગખંડ વર્ણનોમાં કહેવામાં આવે છે કે glucose gluconic acid બને છે. આ સંક્ષિપ્ત સમજાવટ અવલોકનોનું અનુમાન કરી શકે છે, પરંતુ શિક્ષકોએ જાણવું જોઈએ કે તે અધૂરી છે: Royal Society Open Science માં પ્રકાશિત mechanistic analysis oxidation ને reactive enediolate મારફતે એવા dicarbonyl સુધી અનુસરે છે જે તૂટી નાનાં acids બનાવે છે.

હલાવવાથી દેખાતું પરિણામ ઉલટાય છે. Agitation trapped headspace air માંથી oxygen દ્રાવ્ય બનાવે છે, અને oxygen reduced dye ને ફરી oxidise કરે છે:

LMB (રંગહીન) + O2 -> MB (વાદળી) + reduced oxygen products

સ્થિર રાખતાં dissolved oxygen ખૂટી જાય છે, glucose dye ને ફરી reduce કરે છે અને રંગ ફિક્કો પડે છે. ઘણા ચક્રો દરમિયાન net chemistry હવા દ્વારા sugar નું oxidation છે, જ્યારે dye redox mediator તરીકે બદલાયા વગર ચક્રમાં ફરતું રહે છે. તે strict catalyst કરતાં mediator વધુ યોગ્ય શબ્દ છે, કારણ કે sugar oxidation તેના વિના પણ આગળ વધે છે, અને રંગ ફિક્કો પડવો decomposition નથી: નષ્ટ થયેલ dye હલાવવાથી ફરી જીવંત થઈ શકતું નથી. પ્રદર્શનો વચ્ચે dye stocks સ્થિર રાખવા માટે methylene blue solutions ના handling અને storage વિશેની નોંધો જુઓ.

દેખરેખ હેઠળના પ્રદર્શન માટેની પ્રક્રિયા

આ દેખરેખ હેઠળ કરવાનું પ્રદર્શન છે, ઘરેલું પ્રવૃત્તિ નથી. Alkali સાથે કામ કરવા eye protection, gloves અને preparation તથા cleanup ની જવાબદારી લેતો instructor જરૂરી છે. બે દસ્તાવેજીકૃત formulations ની રચના સમાન છે, પરંતુ scale જુદું છે.

Indiana University chemistry department દ્વારા પ્રકાશિત પ્રદર્શન સાથેની instruction sheet અંદાજે 5 percent potassium hydroxide, 4 percent glucose અને 1 percent aqueous methylene blue વાપરે છે. Alkali અને glucose solutions ના સમાન volumes પારદર્શક 250 or 500 millilitre બોટલમાં એટલા રેડો કે તે અડધી ભરાય અને બાકીનો ભાગ air headspace તરીકે રહે. Dye ના થોડાં ટીપાં ઉમેરો, cap લગાવો, seam seal કરો અને વાદળી રંગ દૂર થાય ત્યાં સુધી સ્થિર રાખો. Royal Society of Chemistry ની પ્રક્રિયા એ જ વિચારને 1 litre stoppered flask માટે scale કરે છે: 300 millilitres of water, 10 grams of glucose, 8 grams of potassium hydroxide (or 6 grams of sodium hydroxide), plus a few millilitres of dilute dye stock.

પ્રયોગ કરવા માટે જોરથી હલાવો. સંપૂર્ણ વાદળી રંગ seconds માં વિકસે છે. ફ્લાસ્ક નીચે મૂકો અને રંગ ફિક્કો પડવાનો સમય માપો. Royal Society of Chemistry દરેક filling માટે twenty કરતાં વધુ cycles નો અહેવાલ આપે છે. બોટલને ક્યારેય brim સુધી ન भरो: trapped air વિના dissolve થવા માટે oxygen reserve રહેતું નથી.

શું અવલોકન કરવું અને સમયને શું બદલે છે

ત્રણ બાબતોનો સમય માપો: full blue સુધી હલાવવાનો સમય (seconds), colourless થવા સુધી સ્થિર રાખવાનો સમય (up to a few minutes), અને વાદળી રંગ નબળો પડે તે પહેલાંના cycles ની સંખ્યા. દરેક fade ના અંત નજીક surface પર ધ્યાન આપો. Air interface પર પાતળું વાદળી સ્તર ઘણી વાર થોડો સમય ટકી રહે છે, કારણ કે ત્યાં oxygen સતત diffuse થતું રહે છે. આ diffusion નું દૃશ્યમાન સ્વરૂપ છે.

Blue bottle reaction, Royal Society of Chemistry ની પ્રક્રિયા સાથે દર્શાવાયેલા empirical rate law ને અનુસરે છે: rate = k[MB oxidised][glucose]OH-. દરેક term પોતે એક classroom experiment બની શકે છે. વધુ glucose, alkali અથવા dye વાદળી સમયગાળો ટૂંકો કરે છે. Warmth fade ને ઝડપી બનાવે છે; cold flask માં પ્રતિક્રિયા ધીમી પડે છે. વધુ જોરથી હલાવવાથી વધુ oxygen dissolve થાય છે, તેથી વાદળી રંગ વધુ સમય રહે છે. Larger headspace પ્રયોગનો સમય વધારે છે. જ્યારે cycles અંતે નબળા પડે અને પ્રવાહી પીળાશ ધારણ કરે, ત્યારે sugar ખર્ચાઈ ગઈ હોય છે અને side products સચવાયા હોય છે. એ endpoint પોતે નોંધવા લાયક પરિણામ છે.

અવલોકન કાર્યપત્રક

આ table notebooks માં નકલ કરો, દરેક trial માટે એક row. આ worksheet અને ઉપરનું reaction diagram આ article માટેના printable assets છે.

દરેક trial પહેલાં જવાબ આપવાના prediction questions:

• હલાવ્યા પછી તરત બોટલ વાદળી છે. કયું dye form પ્રભુત્વ ધરાવે છે અને તેને તે સ્થિતિમાં શું લાવ્યું?
• બોટલ સ્થિર રહે છે અને રંગ ફિક્કો પડે છે. કઈ reaction પ્રભુત્વ મેળવી રહી છે અને કયો ingredient વપરાઈ રહ્યો છે?
• ઘણા cycles પછી વાદળી રંગ ફિક્કો અને પીળાશવાળો બને છે. તેને dye, alkali કે glucose થી ફરી જીવંત કરશો, અને શા માટે?
• એક cycle માટે colour સામે time નો sketch બનાવો. Oxygen solution માં ક્યાં પ્રવેશે છે તે ચિહ્નિત કરો.

Instructor answers: (1) oxidised methylene blue, dissolved headspace oxygen દ્વારા re-oxidised; (2) glucose દ્વારા reduction, glucose consumed; (3) glucose, limiting donor, કારણ કે dye બદલાયા વગર cycle કરે છે; (4) shaking વખતે steep rise, standing વખતે gradual fall, oxygen entry માત્ર rise દરમિયાન.

ઉલ્લેખ કરવા જેવા નજીકના સંબંધિત પ્રયોગો

Traffic light demonstration માં indigo carmine વપરાય છે અને oxygenation સાથે yellow, red અને green તબક્કાઓમાંથી પસાર થાય છે. Green bottle નામ ઢીલાશથી વપરાય છે: ક્યારેક તે variant માટે, તો ક્યારેક ascorbic acid systems જેવી વધુ green formulations અથવા American Chemical Society દ્વારા વર્ણવાયેલ enzymatic cycling system માટે. Bench પર જે variant હોય તેનું નામ સ્પષ્ટ કહો, જેથી વિદ્યાર્થીઓ અલગ chemistries ના observations ને એકસાથે ન ભેળવે.

સલામતી અને handling

સમગ્ર સમય દરમિયાન supervision રાખો. Alkaline solution સંભાળવા અથવા stoppered vessel હલાવવા chemical splash eye protection અને gloves વાપરો. Alkali burns કરી શકે છે, dye skin અને fabric પર stains પાડે છે, અને ethanol માં બનાવેલા dye stocks bench પર flammable solvent ઉમેરે છે. હલાવતી વખતે vessel stoppered રાખો. પછી spent solutions ને તમારી institution ના laboratory rules અનુસાર handling માટે રાખો. Alkaline, dye-containing waste માટેની requirements અલગ institutions અને jurisdictions માં જુદી હોય છે, તેથી બીજી source માંથી procedure લાવવાને બદલે તમારી laboratory ની પોતાની procedure અનુસરો.

જો તમને colour changes કરતાં numbers જોઈએ, તો methylene blue માટેના quantitative assays ત્યાંથી આગળ વધે છે જ્યાં આ demonstration પૂર્ણ થાય છે.

શિક્ષકો આ બોટલ કેમ રાખે છે

એક flask ચાર વિચારોને એક સાથે સમાવે છે. Redox વ્યાખ્યા કરતાં colour બની જાય છે. Mediator બતાવે છે કે એક substance ની trace amount બીજા substance ના bulk વિશે કેવી રીતે સંકેત આપી શકે છે. Kinetics thermodynamics થી દૃશ્યમાન રીતે અલગ પડે છે: shaking oxygen પૂરું પાડે ત્યાં સુધી oxygen પ્રભુત્વ મેળવે છે, અને supply બંધ થાય ત્યારે glucose પ્રભુત્વ મેળવે છે. અને diffusion, chemistry ની સૌથી નિશબ્દ પ્રક્રિયા, આખા પ્રદર્શનનું કારણ બને છે, કારણ કે દરેક blue flash ની શરૂઆત air માંથી water માં oxygen પાર થવાથી થાય છે. Stopwatch અને table વડે વિદ્યાર્થીઓ આ બધાનું prediction કરી શકે, સમય માપી શકે અને સમજાવી શકે એવું demonstration bench પર પોતાનું સ્થાન યોગ્ય રીતે મેળવે છે.