ניסוי הבקבוק הכחול: כימיה, נוהל ותצפיות

בקבוק שקוף מונח על שולחן המעבדה. הוא נראה כאילו הוא מכיל מים. מישהו מנער אותו, והנוזל הופך לכחול עז. כשמניחים אותו, הכחול נעלם בתוך דקה או שתיים. מנערים שוב והכחול חוזר. אותה תמיסה יכולה לחזור על התהליך עשרים פעמים ואף יותר.

תלמידים בדרך כלל מנחשים שמשהו הוסתר בבקבוק, או שהניעור ערבב שתי שכבות. שתי ההשערות נכשלות באופן מאלף. הצבע נובע מצבע יחיד, מתילן כחול, שנמצא בכל התמיסה. מה שמשתנה הוא מספר האלקטרונים שהצבע נושא. ההדגמה הופכת מחזור חמצון־חיזור לגלוי לעין, וכל משתנה שהכיתה יכולה לראות — זמן הניעור, הטמפרטורה והריכוז — מתאים לגורם בכימיה של התגובה.

שתי צורות של אותו צבע

מתילן כחול מחומצן הוא מערכת טבעות שטוחה ובעלת מטען חיובי. הוא בולע אור בעוצמה בתחום של כ־600 עד 700 nanometres, שהעין תופסת ככחול עמוק. שתי הצורות והספקטרומים שלהן מתוארים במדריך למבנה ולתכונות של מתילן כחול.

חיזור מוסיף שני אלקטרונים ופרוטון ויוצר לויקומתילן כחול: חסר מטען, לא מישורי ולמעשה חסר צבע. בתמיסה בסיסית, חצי־התגובה נכתב MB+ + H2O + 2 e- ⇌ LMB + OH-. התהליך הפיך לחלוטין. כחול פירושו מחומצן, חסר צבע פירושו מחוזר, ואין מצב שלישי שצריך לעקוב אחריו — וזה מה שהופך את הניסוי למפגש ראשון ברור עם כימיית חמצון־חיזור.

המחזור: גלוקוז מחזר, חמצן מחמצן מחדש

הבקבוק מכיל שלושה רכיבים פעילים: מתילן כחול, גלוקוז ובסיס חזק — אשלגן הידרוקסידי או נתרן הידרוקסידי. הבסיס מעודד את הגלוקוז לעבור לצורות דה־פרוטוניות פעילות שתורמות אלקטרונים לצבע:

סוכר מחזר + MB (כחול, מחומצן) -> תוצרי סוכר מחומצנים + LMB (חסר צבע)

השלב האיטי הזה מעלים את הצבע בזמן שהבקבוק עומד. הגלוקוז הוא התורם המתכלה והוא נצרך בתגובה. הצבע רק מעביר אלקטרונים, ולכן כמה טיפות מספיקות לבקבוק שלם. תיאורים ישנים יותר של ההדגמה בכיתה אומרים שהגלוקוז הופך לחומצה גלוקונית. הקיצור הזה מנבא את התצפיות, אך מדריכים צריכים לדעת שהוא אינו מלא: ניתוח מנגנוני שפורסם ב-Royal Society Open Science עוקב אחר החמצון דרך אנדיולאט פעיל אל דיקרבוניל שמתפרק לחומצות קטנות יותר.

ניעור הופך את התוצאה הנראית לעין. הערבול ממיס חמצן מהאוויר הכלוא בחלל שמעל הנוזל, והחמצן מחמצן מחדש את הצבע המחוזר:

LMB (חסר צבע) + O2 -> MB (כחול) + תוצרי חמצן מחוזרים

כאשר הבקבוק נשאר עומד, החמצן המומס אוזל, הגלוקוז מחזר שוב את הצבע והצבע דוהה. לאורך מחזורים רבים, הכימיה הכוללת היא חמצון של הסוכר באמצעות האוויר, כאשר הצבע עובר שוב ושוב בין המצבים בלי להשתנות נטו ומשמש כמתווך חמצון־חיזור. הוא מתווך ולא זרז במובן המחמיר, משום שחמצון הסוכר מתקדם גם בלעדיו, והדהייה אינה פירוק: צבע שנהרס לא היה יכול לחזור לחיים בעקבות ניעור. לשמירה על יציבות תמיסות מלאי של הצבע בין הדגמות, ראו ההערות על טיפול ואחסון של תמיסות מתילן כחול.

נוהל להדגמה בפיקוח

זוהי הדגמה בפיקוח, לא פעילות ביתית. עבודה עם בסיס מחייבת הגנה לעיניים, כפפות ומדריך האחראי להכנה ולניקוי. שתי נוסחאות מתועדות מסכימות במבנה שלהן ונבדלות בקנה המידה.

דף ההוראות של ההדגמה כפי שפורסמה על ידי המחלקה לכימיה באוניברסיטת אינדיאנה משתמש בכ־5 percent אשלגן הידרוקסידי, 4 percent גלוקוז ו־1 percent תמיסה מימית של מתילן כחול. מזגו נפחים שווים של תמיסות הבסיס והגלוקוז לבקבוק שקוף בנפח 250 או 500 millilitre עד שהוא מלא למחצה, והשאירו את השאר כחלל אוויר. הוסיפו כמה טיפות צבע, סגרו, אטמו את אזור הסגירה והניחו עד שהכחול נעלם. הנוהל של Royal Society of Chemistry מגדיל את אותו רעיון לבקבוק מעבדה עם פקק בנפח 1 litre: ‏300 millilitres מים, 10 grams גלוקוז, 8 grams אשלגן הידרוקסידי (או 6 grams נתרן הידרוקסידי), ועוד כמה millilitres של תמיסת מלאי מדוללת של הצבע.

לביצוע, נערו בחוזקה. כחול מלא מתפתח בתוך seconds. הניחו את הבקבוק ומדדו את זמן הדהייה. Royal Society of Chemistry מדווחת על יותר מעשרים מחזורים לכל מילוי. לעולם אל תמלאו את הבקבוק עד השפה: בלי אוויר כלוא אין מאגר חמצן שיכול להתמוסס.

במה לצפות ומה משנה את התזמון

מדדו שלושה דברים: הזמן מהניעור עד לכחול מלא (seconds), הזמן בעמידה עד לחוסר צבע (עד כמה דקות), ומספר המחזורים לפני שהכחול נחלש. לקראת סוף כל דהייה, התבוננו בפני הנוזל. שכבה כחולה דקה נשארת לעיתים קרובות באזור המגע עם האוויר, שם חמצן ממשיך לפעפע פנימה. הקו הזה הוא דיפוזיה שנעשית גלויה לעין.

תגובת הבקבוק הכחול מצייתת לחוק הקצב האמפירי המדווח יחד עם הנוהל של Royal Society of Chemistry: rate = k[MB oxidised][glucose]OH-. כל גורם הוא ניסוי כיתתי בפני עצמו. יותר גלוקוז, בסיס או צבע מקצרים את התקופה הכחולה. חימום מאיץ את הדהייה; בקבוק קר מגיב באיטיות. ניעור חזק יותר ממיס יותר חמצן, ולכן הכחול נשאר זמן רב יותר. חלל אוויר גדול יותר מאריך את משך סדרת המחזורים. כאשר המחזורים לבסוף נחלשים והנוזל מצהיב, הסוכר התכלה ותוצרי לוואי הצטברו. גם נקודת הסיום הזו היא תוצאה שכדאי לתעד.

דף עבודה לתצפיות

העתיקו טבלה זו למחברות, שורה אחת לכל ניסיון. דף העבודה הזה ותרשים התגובה שלמעלה הם הנכסים המיועדים להדפסה במאמר זה.

שאלות חיזוי, שעליהן יש לענות לפני כל ניסיון:

• הבקבוק כחול מיד לאחר הניעור. איזו צורה של הצבע שולטת, ומה גרם לכך?
• הבקבוק עומד והצבע דוהה. איזו תגובה גוברת, ואיזה רכיב נצרך?
• לאחר מחזורים רבים הכחול נעשה חלש וצהבהב. במה יש להשתמש כדי להחזיר אותו — צבע, בסיס או גלוקוז — ומדוע?
• שרטטו צבע כפונקציה של זמן במשך מחזור אחד. סמנו היכן החמצן נכנס לתמיסה.

תשובות למדריך: (1) מתילן כחול מחומצן, שחומצן מחדש על ידי חמצן מומס מחלל האוויר; (2) חיזור על ידי גלוקוז, כאשר הגלוקוז נצרך; (3) גלוקוז, התורם המגביל, משום שהצבע עובר במחזור ללא שינוי; (4) עלייה חדה בעת הניעור, ירידה הדרגתית בזמן העמידה, וכניסת חמצן במהלך העלייה בלבד.

תגובות קרובות שכדאי להכיר בשמן

בהדגמת הרמזור משתמשים באינדיגו קרמין במקום במתילן כחול, והיא עוברת בין צהוב, אדום וירוק עם החמצון. השם "בקבוק ירוק" משמש באופן לא אחיד: לעיתים עבור גרסה זו ולעיתים עבור נוסחאות ירוקות יותר, כגון מערכות המבוססות על חומצה אסקורבית או מערכת מחזור אנזימטית שתוארה על ידי American Chemical Society. ציינו את שמה המדויק של הגרסה שנמצאת על שולחן המעבדה כדי שהתלמידים לא יערבבו תצפיות ממערכות כימיות שונות.

בטיחות וטיפול

נדרש פיקוח לאורך כל הפעילות. יש להשתמש בהגנה לעיניים מפני התזות כימיות ובכפפות בעת טיפול בתמיסה הבסיסית או ניעור הכלי הסגור בפקק. בסיס עלול לגרום לכוויות, הצבע מכתים עור ובד, ותמיסות מלאי של הצבע שהוכנו באתנול מוסיפות ממס דליק לשולחן המעבדה. שמרו את הכלי סגור בפקק בזמן הניעור. לאחר מכן, שמרו את התמיסות המשומשות לטיפול בהתאם לכללי המעבדה של המוסד שלכם. הדרישות לפסולת בסיסית המכילה צבע משתנות בין מוסדות ותחומי שיפוט, ולכן פעלו לפי הנוהל של המעבדה שלכם במקום לאמץ נוהל ממקור אחר.

אם אתם רוצים נתונים מספריים ולא רק שינויי צבע, בדיקות כמותיות למתילן כחול ממשיכות מהמקום שבו ההדגמה הזו מסתיימת.

מדוע מורים ממשיכים להשתמש בבקבוק הזה

בקבוק אחד מרכז ארבעה רעיונות. חמצון־חיזור הופך לצבע במקום להישאר הגדרה. מתווך מדגים כיצד כמות זעירה של חומר אחד יכולה לדווח על כמות גדולה של חומר אחר. הקינטיקה נפרדת מן התרמודינמיקה באופן גלוי: החמצן גובר כל עוד הניעור מספק אותו, והגלוקוז גובר כאשר האספקה נעצרת. והדיפוזיה, אחד התהליכים השקטים ביותר בכימיה, היא שמאפשרת את כל ההדגמה, משום שכל הבזק כחול מתחיל כאשר חמצן עובר מן האוויר אל המים. הדגמה שמאפשרת לתלמידים לחזות, למדוד ולהסביר את כל זה באמצעות שעון עצר וטבלה מצדיקה את מקומה על שולחן המעבדה.