नीली बोतल प्रयोग: रसायन, प्रक्रिया और अवलोकन

बेंच पर एक पारदर्शी बोतल रखी है। वह पानी जैसी दिखती है। कोई उसे हिलाता है और तरल चमकीला नीला हो जाता है। उसे नीचे रख देने पर एक या दो मिनट में नीला रंग गायब हो जाता है। उसे फिर हिलाएँ तो नीला रंग वापस आ जाता है। एक बार भरी हुई बोतल में यह प्रक्रिया बीस बार या उससे अधिक दोहराई जा सकती है।

विद्यार्थी आम तौर पर अनुमान लगाते हैं कि बोतल में कुछ छिपा हुआ था, या हिलाने से दो परतें मिल गईं। दोनों अनुमान उपयोगी ढंग से गलत साबित होते हैं। रंग एक ही डाई, methylene blue, से आता है, जो पूरे तरल में मौजूद होती है। बदलता यह है कि डाई के पास कितने इलेक्ट्रॉन हैं। यह प्रदर्शन रेडॉक्स चक्र को दृश्य बनाता है, और कक्षा में दिखाई देने वाला हर चर—हिलाने का समय, तापमान, सांद्रता—रसायन के किसी न किसी पद से जुड़ता है।

एक ही डाई के दो रूप

ऑक्सीकृत methylene blue एक समतल, धनावेशित रिंग तंत्र है। यह 600 से 700 nanometres के आसपास प्रकाश को प्रबल रूप से अवशोषित करता है, जिसे आँख गहरे नीले रंग के रूप में देखती है। दोनों रूपों और उनके स्पेक्ट्रा का वर्णन methylene blue की संरचना और गुणों की मार्गदर्शिका में किया गया है।

अपचयन से दो इलेक्ट्रॉन और एक प्रोटॉन जुड़ते हैं, जिससे leucomethylene blue बनता है: आवेशरहित, गैर-समतलीय और प्रभावी रूप से रंगहीन। क्षारीय विलयन में अर्ध-अभिक्रिया इस प्रकार है: MB+ + H2O + 2 e- ⇌ LMB + OH-. यह चरण पूरी तरह प्रत्यावर्ती है। नीला रंग ऑक्सीकृत अवस्था को दर्शाता है, रंगहीन अवस्था अपचयित रूप को, और अनुसरण करने के लिए कोई तीसरी अवस्था नहीं है। यही कारण है कि यह रेडॉक्स रसायन से पहली बार परिचय के लिए एक साफ़ उदाहरण है।

चक्र: glucose अपचयन करता है, oxygen पुनः ऑक्सीकरण करता है

बोतल में तीन सक्रिय घटक होते हैं: methylene blue, glucose और प्रबल क्षार, potassium या sodium hydroxide। क्षार glucose को प्रतिक्रियाशील डीप्रोटोनेटेड रूपों में बढ़ावा देता है, जो डाई को इलेक्ट्रॉन दान करते हैं:

reducing sugar + MB (blue, oxidised) -> oxidised sugar products + LMB (colourless)

यह धीमा चरण बोतल को स्थिर रखने पर रंग को गायब करता है। Glucose बलिदानी दाता है और इस प्रक्रिया में खपत होता है। डाई केवल इलेक्ट्रॉनों को स्थानांतरित करती है, इसलिए कुछ बूंदें पूरी बोतल के लिए पर्याप्त होती हैं। पुराने कक्षा-विवरणों में कहा जाता है कि glucose, gluconic acid में बदल जाता है। यह संक्षिप्त व्याख्या देखे गए परिणामों का अनुमान लगा सकती है, लेकिन प्रशिक्षकों को पता होना चाहिए कि यह अधूरी है: Royal Society Open Science में प्रकाशित एक यांत्रिक विश्लेषण ऑक्सीकरण को एक प्रतिक्रियाशील enediolate से होते हुए ऐसे dicarbonyl तक ट्रेस करता है जो टूटकर छोटे acids बनाता है।

हिलाने पर दिखाई देने वाला परिणाम उलट जाता है। आंदोलन फँसी हुई headspace वायु से oxygen को घोलता है, और oxygen अपचयित डाई का पुनः ऑक्सीकरण करता है:

LMB (colourless) + O2 -> MB (blue) + reduced oxygen products

स्थिर छोड़ देने पर घुला हुआ oxygen समाप्त हो जाता है, glucose डाई को फिर अपचयित करता है और रंग फीका पड़ जाता है। कई चक्रों के दौरान समग्र रसायन वायु द्वारा sugar का ऑक्सीकरण है, जबकि डाई रेडॉक्स mediator के रूप में अपरिवर्तित चक्रित होती रहती है। यह कठोर अर्थ में catalyst के बजाय mediator है, क्योंकि sugar का ऑक्सीकरण इसके बिना भी होता है, और रंग का फीका पड़ना decomposition नहीं है: नष्ट हो चुकी डाई को हिलाकर फिर से सक्रिय नहीं किया जा सकता। प्रदर्शनों के बीच डाई स्टॉक को स्थिर रखने के लिए methylene blue विलयनों के रखरखाव और भंडारण संबंधी नोट्स देखें।

पर्यवेक्षित प्रदर्शन की प्रक्रिया

यह पर्यवेक्षित प्रदर्शन है, घरेलू गतिविधि नहीं। क्षार के साथ आँखों की सुरक्षा, दस्ताने और ऐसा प्रशिक्षक आवश्यक है जो तैयारी और सफाई की जिम्मेदारी संभाले। दो प्रलेखित formulations संरचना में समान हैं और पैमाने में अलग हैं।

Indiana University के chemistry विभाग द्वारा प्रकाशित प्रदर्शन के निर्देश पत्र में लगभग 5 percent potassium hydroxide, 4 percent glucose और 1 percent जलीय methylene blue उपयोग किया जाता है। क्षार और glucose विलयनों की बराबर मात्रा एक पारदर्शी 250 या 500 millilitre बोतल में तब तक डालें जब तक वह आधी भर न जाए, और बाकी भाग को वायु headspace के रूप में छोड़ें। डाई की कुछ बूंदें डालें, ढक्कन लगाएँ, जोड़ को सील करें और तब तक स्थिर रखें जब तक नीला रंग गायब न हो जाए। Royal Society of Chemistry की प्रक्रिया इसी विचार को 1 litre के स्टॉपर लगे फ्लास्क तक बढ़ाती है: 300 millilitres पानी, 10 grams glucose, 8 grams potassium hydroxide (या 6 grams sodium hydroxide), साथ में dilute dye stock के कुछ millilitres।

प्रदर्शन के लिए जोर से हिलाएँ। पूरा नीला रंग कुछ seconds में विकसित हो जाता है। फ्लास्क को नीचे रखें और रंग फीका पड़ने का समय मापें। Royal Society of Chemistry एक बार भरने पर बीस से अधिक चक्रों की रिपोर्ट करती है। बोतल को कभी किनारे तक न भरें: फँसी हुई वायु के बिना घुलने के लिए oxygen का कोई भंडार नहीं रहता।

क्या देखें और समय को क्या बदलता है

तीन चीजों का समय मापें: पूरा नीला होने तक हिलाना (seconds), रंगहीन होने तक स्थिर रखना (कुछ minutes तक), और नीला रंग कमजोर पड़ने से पहले चक्रों की संख्या। हर बार रंग लगभग गायब होने के अंत में सतह को देखें। वायु के संपर्क वाली सीमा पर अक्सर नीले रंग की पतली परत कुछ समय बनी रहती है, जहाँ oxygen लगातार भीतर विसरित होता रहता है। यह रेखा diffusion को दृश्य बनाती है।

नीली बोतल अभिक्रिया Royal Society of Chemistry की प्रक्रिया के साथ दी गई अनुभवजन्य rate law का पालन करती है: rate = k[MB oxidised][glucose]OH-. प्रत्येक पद अपने आप में कक्षा का एक प्रयोग बन सकता है। अधिक glucose, क्षार या डाई नीले रहने की अवधि कम करता है। गर्मी रंग फीका पड़ने को तेज करती है; ठंडा फ्लास्क सुस्त प्रतिक्रिया देता है। अधिक जोर से हिलाने पर अधिक oxygen घुलता है, इसलिए नीला रंग अधिक देर तक रहता है। बड़ा headspace चक्रों की अवधि बढ़ाता है। जब अंततः चक्र कमजोर पड़ने लगते हैं और तरल पीला होने लगता है, तो sugar लगभग समाप्त हो चुका होता है और side products जमा हो चुके होते हैं। यह अंतिम बिंदु भी दर्ज करने योग्य परिणाम है।

अवलोकन कार्यपत्रक

इस तालिका को नोटबुक में कॉपी करें, प्रत्येक trial के लिए एक पंक्ति। यह कार्यपत्रक और ऊपर दिया गया अभिक्रिया आरेख इस लेख की प्रिंट करने योग्य सामग्री हैं।

हर trial से पहले उत्तर दिए जाने वाले पूर्वानुमान प्रश्न:

• हिलाने के तुरंत बाद बोतल नीली है। डाई का कौन-सा रूप प्रमुख है, और उसे उस अवस्था में किसने पहुँचाया?
• बोतल स्थिर रहती है और रंग फीका पड़ता है। कौन-सी अभिक्रिया प्रभावी है, और कौन-सा घटक खपत हो रहा है?
• कई चक्रों के बाद नीला रंग फीका और पीला-सा हो जाता है। इसे डाई, क्षार या glucose में से किससे पुनर्जीवित करेंगे, और क्यों?
• एक चक्र के लिए समय के साथ रंग का ग्राफ बनाएँ। वह बिंदु चिह्नित करें जहाँ oxygen विलयन में प्रवेश करता है। प्रशिक्षक के उत्तर: (1) ऑक्सीकृत methylene blue, जिसे घुले हुए headspace oxygen ने पुनः ऑक्सीकृत किया; (2) glucose द्वारा अपचयन, glucose की खपत होती है; (3) glucose, सीमित करने वाला दाता, क्योंकि डाई अपरिवर्तित रूप से चक्रित होती है; (4) हिलाने पर तीव्र वृद्धि, स्थिर रखने पर क्रमिक गिरावट, oxygen का प्रवेश केवल वृद्धि के दौरान।

उल्लेख करने योग्य निकट संबंधी प्रदर्शन

ट्रैफिक लाइट प्रदर्शन में indigo carmine का उपयोग किया जाता है और oxygenation के साथ रंग पीले, लाल और हरे क्रम से बदलते हैं। ग्रीन बॉटल नाम का उपयोग ढीले अर्थ में किया जाता है: कभी उस variant के लिए, और कभी अधिक हरे formulations जैसे ascorbic acid systems या American Chemical Society द्वारा वर्णित एक enzymatic cycling system के लिए। बेंच पर जो भी variant हो, उसका नाम स्पष्ट रूप से बताएँ ताकि विद्यार्थी अलग-अलग रसायनों से प्राप्त अवलोकनों को आपस में न मिला दें।

सुरक्षा और रखरखाव

पूरी प्रक्रिया के दौरान पर्यवेक्षण आवश्यक है। क्षारीय विलयन को संभालते समय या स्टॉपर लगे पात्र को हिलाते समय रासायनिक छींटों से आँखों की सुरक्षा और दस्ताने पहनें। क्षार जलन पैदा कर सकता है, डाई त्वचा और कपड़े पर दाग लगाती है, और ethanol में तैयार किए गए dye stocks बेंच पर एक ज्वलनशील solvent भी जोड़ते हैं। हिलाते समय पात्र को बंद रखें। बाद में उपयोग किए गए विलयनों को अपने संस्थान के प्रयोगशाला नियमों के अनुसार निपटान के लिए सुरक्षित रखें। क्षारीय, डाई-युक्त अपशिष्ट की आवश्यकताएँ संस्थानों और न्यायक्षेत्रों के बीच अलग होती हैं, इसलिए किसी अन्य स्रोत की प्रक्रिया अपनाने के बजाय अपनी प्रयोगशाला द्वारा निर्धारित प्रक्रिया का पालन करें।

यदि आप रंग परिवर्तन के बजाय संख्यात्मक माप चाहते हैं, तो methylene blue के मात्रात्मक assays वहीं से आगे बढ़ते हैं जहाँ यह प्रदर्शन समाप्त होता है।

शिक्षक इस बोतल का उपयोग क्यों करते रहते हैं

एक फ्लास्क चार विचारों को एक साथ समेट देता है। रेडॉक्स केवल परिभाषा न रहकर रंग बन जाता है। एक mediator दिखाता है कि किसी पदार्थ की बहुत थोड़ी मात्रा दूसरे पदार्थ की बड़ी मात्रा की स्थिति कैसे दर्शा सकती है। Kinetics और thermodynamics का अंतर प्रत्यक्ष दिखाई देता है: हिलाने से oxygen की आपूर्ति होने तक oxygen प्रभावी रहता है, और आपूर्ति रुकने पर glucose प्रभावी हो जाता है। और diffusion, रसायन की सबसे शांत प्रक्रियाओं में से एक, पूरे प्रदर्शन को संभव बनाता है, क्योंकि हर नीली चमक वायु से पानी में oxygen के प्रवेश के साथ शुरू होती है। ऐसा प्रदर्शन जिसमें विद्यार्थी केवल stopwatch और तालिका की मदद से इन सभी बातों का पूर्वानुमान लगा सकें, समय माप सकें और व्याख्या कर सकें, प्रयोगशाला बेंच पर अपनी जगह का पूरा औचित्य रखता है।