મિથિલીન બ્લૂ અને પરમેંગેનેટનું પ્રસરણ: અગરનો પ્રયોગ શું બતાવે છે

એક શિક્ષક અગરની પ્લેટમાં બે કૂવાકાર ખાડા બનાવે છે, એકમાં વાદળી રંગદ્રવ્ય અને બીજામાં જાંબલી દ્રાવણ ભરે છે અને વર્ગને નિરીક્ષણ કરવા કહે છે. એક કલાક પછી જાંબલી વર્તુળ વધુ પહોળું હોય છે. વિદ્યાર્થીઓ લખે છે કે પોટેશિયમ પરમેંગેનેટ હલકું હોવાથી મિથિલીન બ્લૂ કરતાં ઝડપથી પ્રસરે છે.

આ વાક્ય અડધું સાચું અને અડધું ગેરમાર્ગે દોરનારું છે, અને ગેરમાર્ગે દોરતો ભાગ જ રસપ્રદ છે. આ નિદર્શન પ્રસરણનો એક પ્રચલિત પાઠ છે, જેનું વર્ણન, ઉદાહરણ તરીકે, આ અગર પ્રસરણની પ્રયોગશાળા પ્રવૃત્તિમાં મળે છે. પરંતુ વિદ્યાર્થીઓ જે જુએ છે તે આણ્વિક વજનની સીધી અસર નથી. તે જેલમાં દેખાતી રંગની સીમાની ગતિ છે, જેને આયનનું કદ, જલયોજન, રંગદ્રવ્યનું બંધન, સાંદ્રતા, તાપમાન અને સીમા માપવાની રીત આકાર આપે છે.

રંગીન સીમા એ પ્રસરણ ગુણાંક નથી

પ્રસરણ એટલે ઓગળેલા કણોનું ઊંચી સાંદ્રતાથી નીચી સાંદ્રતા તરફ ફેલાવું. પ્રસરણ ગુણાંક, જે સામાન્ય રીતે D તરીકે લખાય છે, ચોક્કસ તાપમાને ચોક્કસ માધ્યમમાં ચોક્કસ દ્રાવ્યનું આ ફેલાવું કેટલી ઝડપથી થાય છે તે દર્શાવે છે.

વર્ગખંડની પ્લેટ D સીધો બતાવતી નથી. તે એવી સીમા બતાવે છે જ્યાં રંગ એટલો ઝાંખો થઈ જાય છે કે દેખાતો નથી. આ સીમા પ્રસરણ ઉપરાંત રંગદ્રવ્યની પ્રકાશ શોષવાની ક્ષમતા, પ્રકાશની વ્યવસ્થા, કેમેરાના એક્સપોઝર, ખાડામાં ભરેલી સાંદ્રતા અને માપપટ્ટી પકડનાર વ્યક્તિના નિર્ણય પર આધાર રાખે છે.

વર્ગખંડમાં લેવાતા માપને તે ખરેખર જે છે તે જ કહો: દેખાતી પ્રસરણ સીમાની ગતિ. ઔપચારિક વિશ્લેષણમાં સરેરાશ વર્ગિત વિસ્થાપનને D સાથે એવા સંબંધો દ્વારા જોડવામાં આવે છે જે ફિકીય પ્રસરણના વિશ્લેષણમાં જોવા મળે છે. પરંતુ D મેળવવા માટે સમય સાથે સાંદ્રતાની રૂપરેખાઓ જરૂરી છે, વર્ગના અંતે માપેલો એક વ્યાસ પૂરતો નથી. વર્ગખંડના એક પ્રકાશિત અભ્યાસે અંતિમ રંગીન વિસ્તારનાં કદની સરખામણી કરવાને બદલે અંતરના વર્ગને સમય સામે આલેખીને જેલમાં મિથિલીન બ્લૂનો પ્રસરણ ગુણાંક લગભગ 4.5 ગુણ્યા 10^-10 m^2/s મેળવ્યો હતો. એક જ સમયબિંદુનું ચિત્ર આ કામ કરી શકતું નથી.

આ નિદર્શન પાછળનો મૂળ ખ્યાલ છે; બાકી બધું પ્લેટ આ ખ્યાલને કેટલી સચોટ રીતે રજૂ કરે છે તેની વિગતો છે.

બે રંગીન આયનો, બે અણુઓ નહીં

કોઈ પણ દ્રાવ્ય અગરમાં બોટલ પર છપાયેલા સૂત્રના સ્વરૂપે ગતિ કરતું નથી. બંને પ્રબળ વિદ્યુતવિભાજ્યો છે, જે પાણીમાં વિઘટિત થાય છે.

પોટેશિયમ પરમેંગેનેટ (KMnO4, સૂત્ર દળ લગભગ 158.03 g/mol) પોટેશિયમ આયનો અને પરમેંગેનેટ આયનોમાં છૂટું પડે છે. જાંબલી રંગ સાથે ગતિ કરતો કણ પરમેંગેનેટ આયન MnO4^- છે, જેનું દળ લગભગ 118.94 g/mol છે અને જે પાણીના આવરણથી ઘેરાયેલો છે. મિથિલીન બ્લૂ ક્લોરાઇડ (નિર્જળ ક્ષાર C16H18ClN3S, લગભગ 319.85 g/mol) ક્લોરાઇડ અને વાદળી કાર્બનિક ધનાયન MB^+માં છૂટું પડે છે. આ ધનાયનનું દળ લગભગ 284.41 g/mol છે અને તે પણ જલયોજિત છે. NISTનો મિથિલીન બ્લૂ રેકોર્ડ અને ChEBIની મિથિલીન બ્લૂ નોંધ આ સ્વરૂપોનું દસ્તાવેજીકરણ કરે છે. રસાયણશાસ્ત્ર અને રચનાનો સંદર્ભ સમજાવે છે કે ધનાયન, નિર્જળ ક્ષાર અને હાઇડ્રેટ્સ માટે અલગ નામ શા માટે જરૂરી છે.

આમાંથી ત્રણ બાબતો સ્પષ્ટ થાય છે.

પહેલી, 158 અને 320ની સરખામણી રંગીન આયનો વચ્ચેના કદના વાસ્તવિક તફાવતને ઓછો દર્શાવે છે, કારણ કે લગભગ 119 g/mol ધરાવતું જાંબલી સ્વરૂપ લગભગ 284 g/mol ધરાવતા વાદળી ધનાયન કરતાં ઘણું નાનું છે, અને બંનેની આસપાસનાં જલયોજન આવરણો તેમનું અસરકારક કદ વધારે છે.

બીજી, મિથિલીન બ્લૂના ધનાયનો પદાર્થોને ચોંટે છે. સાંદ્રતા વધતાં તેઓ દ્વિતકો અને મોટા સમૂહો બનાવે છે અને અગર પર અધિશોષિત થાય છે. અગરના અધિશોષણ અભ્યાસોમાં એકલકો અને દ્વિતકો બંનેનું બંધન નોંધાયું છે. અધિશોષિત રંગદ્રવ્ય સ્થિર રહે છે. તે જેલને રંગે છે, પણ સીમાને આગળ વધારતું નથી.

ત્રીજી, સામાન્ય રીતે વપરાતો અભિકર્મક પાઉડર હાઇડ્રેટ છે, એટલે તોળેલા એક ગ્રામમાં સ્ફટિકનું પાણી પણ હોય છે. ટ્રાઇહાઇડ્રેટ અને નિર્જળ સ્વરૂપની સરખામણી બતાવે છે કે તે મોલરતા કેવી રીતે બદલે છે. વર્ગખંડમાં યોગ્ય સરખામણી માટે ક્ષારોની સમાન મોલર સાંદ્રતાવાળાં દ્રાવણો તૈયાર કરો અને કયું ઘન સ્વરૂપ વપરાયું હતું તે નોંધો.

અહીં હલકું એટલે ઝડપી કેમ નથી

મંદ સાંદ્રતાવાળાં પ્રવાહીઓમાં દળ કરતાં સ્ટોક્સ-આઇન્સ્ટાઇનનો અભિગમ વધુ સારો પ્રારંભિક નમૂનો છે. તેમાં પ્રસરણ ગુણાંક તાપમાનને શ્યાનતા અને હાઇડ્રોડાયનેમિક ત્રિજ્યાથી ભાગતા મળતા મૂલ્યના પ્રમાણમાં બદલાય છે. નાનું જલયોજિત કદ વધુ ઝડપ આપે છે. એક જ રાસાયણિક કુળમાં ઓછું દળ ઘણી વાર નાના કદ સાથે સંબંધિત હોય છે, તેથી હલકું હોવું સમજૂતી જેવું લાગે છે. આ સહસંબંધ છે, પ્રક્રિયાનું કારણ નથી.

ગ્રેહામનો નિયમ કહે છે કે વાયુના નિઃસરણનો દર મોલર દળના વર્ગમૂળના વ્યસ્ત પ્રમાણમાં હોય છે, પરંતુ તે આ પ્લેટને લાગુ પડતો નથી. તેની વ્યુત્પત્તિ વાયુઓના ગતિજ સિદ્ધાંત પર આધારિત છે, જેનો સાર આ વાયુઓના નિઃસરણ અને પ્રસરણ અંગેની OpenStax સમજૂતીમાં મળે છે. પ્રવાહીઓમાં શ્યાન અવરોધ, જલયોજન, આકારની અસરો અને કણોની ભીડ ઉમેરાય છે. જેલમાં છિદ્રોની રચના, વાંકાચૂકા માર્ગો, અધિશોષણ અને પોલિમર સાથે વિદ્યુતભારની આંતરક્રિયાઓ ઉમેરાય છે.

આંકડા આ તફાવત સ્પષ્ટ કરે છે. 158 અને 320 પર ગ્રેહામનો નિયમ લાગુ કરતાં દરનો ગુણોત્તર લગભગ 1.42 મળે છે. મંદ સાંદ્રતાવાળાં જલીય દ્રાવણોમાં માપેલા પ્રસરણ ગુણાંકો જુદી વાત કહે છે: પરમેંગેનેટ માટે લગભગ 1.6 થી 1.8 ગુણ્યા 10^-9 m^2/s અને મિથિલીન બ્લૂ માટે લગભગ 4.5 થી 5 ગુણ્યા 10^-10 m^2/s, એટલે ગુણોત્તર 3 કે 4ની વધુ નજીક છે. માત્ર દળથી આ ગુણોત્તર સમજાવી શકાતો નથી. જલયોજિત કદ, સમૂહ રચના અને જેલ સાથેનું બંધન બાકીનો તફાવત સમજાવે છે.

હલકું એટલે ઝડપી — તેને કેટલીક ધારણાઓ ધરાવતા નમૂના તરીકે લો: ગોળાકાર કણો, કોઈ બંધન નહીં, કોઈ સમૂહ રચના નહીં અને સમાન પરિસ્થિતિઓ. પ્લેટ આમાંથી ઓછામાં ઓછી બે ધારણાઓનું પાલન કરતી નથી.

યોગ્ય સરખામણી કેવી રીતે કરવી

આ નિદર્શન સોફ્ટવેરની જેમ નિષ્ફળ જાય છે: મૂળ વિચાર સાચો છે, પરંતુ વિચારને માપમાં ફેરવવાની પ્રક્રિયામાં અનેક ફાંસા છે. આ દરેક બાબત કોઈ પણ આણ્વિક ગુણધર્મ બદલ્યા વિના જવાબ બદલે છે.

અગરનો એક જ બેચ સમાન ઊંડાઈ સુધી રેડો, ખાડા બનાવવા એક જ કટર વાપરો, પ્રવાહીના સમાન જથ્થા અને સમાન મોલર સાંદ્રતાઓ લો. મિથિલીન બ્લૂની સમૂહ રચના મર્યાદિત રહે અને રંગ સંતૃપ્ત ન થાય એટલી ઓછી સાંદ્રતાઓ રાખો. દરેક દ્રાવ્ય માટે ઓછામાં ઓછા ત્રણ પુનરાવર્તિત ખાડા બનાવો અને તેમને એટલા દૂર રાખો કે રંગીન સીમાઓ ક્યારેય ન મળે. પાત્રોને ઢાંકો, સમતલ રાખો અને તાપમાન સ્થિર રાખો, કારણ કે અગરમાં રંગદ્રવ્ય પરના અભ્યાસો મજબૂત તાપમાન અને સાંદ્રતા પરની નિર્ભરતા દર્શાવે છે. ભરવાની ક્ષણને શૂન્ય સમય તરીકે નક્કી કરો અને માપતાં પહેલાં સીમાની વ્યાખ્યા નક્કી કરો: ફોટોગ્રાફમાં નિશ્ચિત થ્રેશોલ્ડ આંખે અંદાજેલી સીમા કરતાં વધુ સારી છે, કારણ કે વાદળી અને જાંબલી રંગની દૃશ્ય ઓળખ મર્યાદાઓ અલગ છે. દરેક રંગીન વિસ્તારના બે પરસ્પર લંબ વ્યાસ નોંધો અને તેમને સરેરાશ ત્રિજ્યામાં ફેરવો, કારણ કે ત્રિજ્યા અને વ્યાસ વચ્ચેની ગૂંચવણ અંતરના વર્ગના કોઈ પણ આલેખમાં ચાર ગણા પરિબળની ભૂલ સર્જે છે.

નામનિર્દેશો: ડાબી પેનલ દરેક પ્રસરણ સીમા માટે ખાડાની ધારથી રંગની સીમા સુધી ઉપરથી માપેલી ત્રિજ્યા બતાવે છે; જમણી પેનલ ખાડાની ઊંડાઈ અને બહાર તરફ ઘટતી સાંદ્રતાના રંગીન વલયો સાથે અગરનો આડછેદ બતાવે છે; ચિહ્નસૂચિમાં નિયંત્રિત ચલો આપેલા છે (અગરની ટકાવારી, જાડાઈ, રંગદ્રવ્યની મોલરતા, જથ્થો, ખાડાનું કદ, તાપમાન, શૂન્ય સમય, પ્રકાશની વ્યવસ્થા).

ભ્રામક દેખાવો પર ધ્યાન આપો. અગરની સપાટી પર ઢોળાયેલું પ્રવાહી ઝડપી પ્રસરણ જેવું દેખાય છે અને નાના અગર ખાડાઓમાં આવી પ્રયોગજન્ય ભ્રામક અસર નોંધાયેલી છે. પરમેંગેનેટ પ્રબળ ઓક્સિડાઇઝર છે અને કાર્બનિક પદાર્થની અલ્પ માત્રા સાથે પ્રતિક્રિયામાં વપરાઈ શકે છે, જેનાથી તેની સીમા અટકે છે અથવા તેનો રંગ ઊડી જાય છે. મિથિલીન બ્લૂ ઓક્સિડેશન-રિડક્શનની દૃષ્ટિએ સક્રિય છે અને પ્રકાશમાં અથવા અપચાયક પરિસ્થિતિઓમાં ઝાંખું પડી શકે છે; મિથિલીન બ્લૂ અને તેના રંગહીન અપચયિત સ્વરૂપનું રેડોક્સ રસાયણશાસ્ત્ર આ વર્તન સમજાવે છે.

દ્રાવક વિશે ટૂંકી નોંધ: પ્રમાણભૂત નિદર્શનમાં બંને ખાડાનાં દ્રાવણો જલીય હોય છે. જો કોઈ પ્રક્રિયામાં દ્રાવક બદલાય, તો પહેલાં દ્રાવ્યતા અને દ્રાવણ તૈયાર કરવાની માર્ગદર્શિકા તપાસો, કારણ કે માધ્યમ સાથે દ્રાવ્યતા અને સમૂહ રચના બદલાય છે.

વર્ગખંડના નિરીક્ષણ માટેની કાર્યપત્રિકા

આ કોષ્ટક નોટબુકમાં ઉતારો અથવા દરેક ખાડા માટે એક પંક્તિ છાપો. દરેક પાત્ર માટે એક કોષ્ટક રાખવાથી પુનરાવર્તનોની નોંધ સચોટ રહે છે.

વિશ્લેષણ માટે દરેક ખાડાની સરેરાશ ત્રિજ્યાના વર્ગને વીતેલા સમય સામે આલેખો અને ઢાળો સરખાવો. આલેખ સાથે સીમાની વ્યાખ્યા પણ જણાવો. જો બધા છ વક્રો તેમની વચ્ચેના તફાવત સાથે બતાવવામાં આવે, તો વર્ગ આ ભિન્નતાને શરમજનક બાબત તરીકે નહીં, પરંતુ માહિતી તરીકે જુએ છે.

સલામતી પ્રક્રિયાનો એક ભાગ છે: હાથમોજાં અને આંખોનું રક્ષણ પહેરો, કારણ કે મિથિલીન બ્લૂ ત્વચા અને કપડાં પર ડાઘ પાડે છે અને પરમેંગેનેટ એવો ઓક્સિડાઇઝર છે જે ડાઘ પાડે છે અને બળતરા કરે છે. દ્રાવણો મોઢામાં ન જાય તેનું ધ્યાન રાખો, ટ્રે ઉપર કામ કરો અને પ્લેટો તથા પ્રવાહીનો નિકાલ સિંકમાં કરવાને બદલે શાળાની રાસાયણિક કચરાના નિકાલની વ્યવસ્થા દ્વારા કરો.

નોંધવા યોગ્ય વાક્ય

અગર, સાંદ્રતા અને તાપમાનની આ પરિસ્થિતિઓમાં દેખાતી પરમેંગેનેટની સીમા સામાન્ય રીતે મિથિલીન બ્લૂની સીમા કરતાં ઝડપથી ફેલાય છે. આ પરમેંગેનેટનો અસરકારક પ્રસરણ ગુણાંક વધુ હોવા સાથે સુસંગત છે, મુખ્યત્વે કારણ કે તેનો જલયોજિત આયન ઘણો નાનો છે અને તે મિથિલીન બ્લૂની જેમ સમૂહો બનાવતો નથી કે અગર સાથે બંધાતો નથી. અહીં આણ્વિક દળ કદના આ તફાવત સાથે સંબંધિત છે, પરંતુ પ્રવાહી કે જેલમાં પ્રસરણનો દર માત્ર દળ નક્કી કરતું નથી.

આ વાક્ય લખનાર વર્ગે બે બાબતો શીખી છે: બે રંગીન આયનો વિશે એક હકીકત અને કોઈ નિદર્શન જે કહેતો દેખાય છે તેના પર વિશ્વાસ કરતાં પહેલાં તે શું માપે છે તે પૂછવાની ટેવ.