Կապույտ շշի փորձը․ քիմիա, ընթացակարգ և դիտարկումներ

Նստարանի վրա դրված է թափանցիկ շիշ։ Այն ջրի տեսք ունի։ Ինչ-որ մեկը թափահարում է այն, և հեղուկը դառնում է վառ կապույտ։ Շիշը դնելուց հետո կապույտ գույնը մեկ-երկու րոպեի ընթացքում անհետանում է։ Նորից թափահարեք, և կապույտը վերադառնում է։ Մեկ լցոնմամբ սա կարելի է կրկնել քսան կամ ավելի անգամ։

Աշակերտները սովորաբար ենթադրում են, որ շշի մեջ ինչ-որ բան էր թաքնված, կամ որ թափահարումը խառնել է երկու շերտ։ Երկու ենթադրությունն էլ ուսուցողական կերպով սխալ են։ Գույնը գալիս է մեկ ներկանյութից՝ մեթիլեն կապույտից, որը առկա է ամբողջ լուծույթում։ Փոխվում է ներկանյութի կրած էլեկտրոնների քանակը։ Այս ցուցադրությունը տեսանելի դարձված օքսիդավերականգնման ցիկլ է, իսկ դասարանում տեսանելի յուրաքանչյուր փոփոխական՝ թափահարման ժամանակը, ջերմաստիճանը, կոնցենտրացիան, համապատասխանում է քիմիական գործընթացի որևէ անդամի։

Նույն ներկանյութի երկու ձևերը

Օքսիդացված մեթիլեն կապույտը հարթ, դրական լիցքավորված օղակաձև համակարգ է։ Այն ուժեղ կլանում է մոտ 600-ից 700 nanometres տիրույթում, ինչը աչքը ընկալում է որպես մուգ կապույտ։ Երկու ձևերն ու դրանց սպեկտրները ներկայացված են մեթիլեն կապույտի կառուցվածքի և հատկությունների ուղեցույցում։

Վերականգնումն ավելացնում է երկու էլեկտրոն և մեկ պրոտոն՝ առաջացնելով լեյկոմեթիլեն կապույտ՝ չլիցքավորված, ոչ հարթ և գործնականում անգույն։ Ալկալային լուծույթում կիսառեակցիան գրվում է այսպես՝ MB+ + H2O + 2 e- ⇌ LMB + OH-։ Փուլը լիովին դարձելի է։ Կապույտը նշանակում է օքսիդացված վիճակ, անգույնը՝ վերականգնված, և հետևելու համար երրորդ վիճակ չկա, ինչի շնորհիվ սա օքսիդավերականգնման քիմիայի հետ առաջին ծանոթության պարզ օրինակ է։

Ցիկլը․ գլյուկոզան վերականգնում է, թթվածինը՝ կրկին օքսիդացնում

Շիշը պարունակում է երեք գործող բաղադրիչ՝ մեթիլեն կապույտ, գլյուկոզա և ուժեղ ալկալի՝ կալիումի կամ նատրիումի հիդրօքսիդ։ Ալկալին նպաստում է, որ գլյուկոզան անցնի ռեակտիվ ապապրոտոնացված ձևերի, որոնք էլեկտրոններ են տալիս ներկանյութին․

վերականգնող շաքար + MB (կապույտ, օքսիդացված) -> օքսիդացված շաքարի արգասիքներ + LMB (անգույն)

Այս դանդաղ փուլը վերացնում է գույնը, երբ շիշը հանգիստ է մնում։ Գլյուկոզան զոհաբերվող դոնորն է և սպառվում է։ Ներկանյութը պարզապես տեղափոխում է էլեկտրոնները, ուստի մի քանի կաթիլը բավարար է ամբողջ շշի համար։ Դասարանային հին բացատրություններում ասվում է, որ գլյուկոզան վերածվում է գլյուկոնաթթվի։ Այդ պարզեցումը կանխատեսում է դիտարկումները, սակայն դասավանդողները պետք է իմանան, որ այն ամբողջական չէ․ Royal Society Open Science-ում հրապարակված մեխանիստական վերլուծությունը հետևում է օքսիդացման ընթացքին ռեակտիվ էնեդիոլատից մինչև դիկարբոնիլ, որը տրոհվում է ավելի փոքր թթուների։

Թափահարումը հակադարձում է տեսանելի արդյունքը։ Խառնումը լուծում է շշի վերևում փակված օդի թթվածինը, իսկ թթվածինը կրկին օքսիդացնում է վերականգնված ներկանյութը․

LMB (անգույն) + O2 -> MB (կապույտ) + վերականգնված թթվածնային արգասիքներ

Հանգիստ թողնելու դեպքում լուծված թթվածինը սպառվում է, գլյուկոզան կրկին վերականգնում է ներկանյութը, և գույնը մարում է։ Բազմաթիվ ցիկլերի ընթացքում ընդհանուր քիմիական գործընթացը շաքարի օքսիդացումն է օդով, մինչդեռ ներկանյութը որպես օքսիդավերականգնման միջնորդ անփոփոխ անցնում է ցիկլերով։ Այն միջնորդ է, ոչ թե խիստ իմաստով կատալիզատոր, քանի որ շաքարի օքսիդացումը կարող է ընթանալ նաև առանց դրա, իսկ գույնի մարումը քայքայում չէ․ քայքայված ներկանյութը թափահարմամբ հնարավոր չէր լինի վերականգնել։ Ցուցադրումների միջև ներկանյութի պահեստային լուծույթների կայուն պահպանման համար տես մեթիլեն կապույտի լուծույթների մշակման և պահպանման նշումները։

Վերահսկվող ցուցադրության ընթացակարգ

Սա վերահսկվող ցուցադրություն է, ոչ թե տնային զբաղմունք։ Ալկալու հետ աշխատելիս անհրաժեշտ են աչքերի պաշտպանություն, ձեռնոցներ և հրահանգիչ, որը պատասխանատու է պատրաստման ու մաքրման համար։ Փաստագրված երկու բաղադրատոմսերը կառուցվածքով համընկնում են և տարբերվում են մասշտաբով։

Indiana University-ի քիմիայի բաժնի հրապարակած ցուցադրության հրահանգաթերթում օգտագործվում է մոտավորապես 5 percent կալիումի հիդրօքսիդ, 4 percent գլյուկոզա և 1 percent ջրային մեթիլեն կապույտ։ Ալկալու և գլյուկոզայի լուծույթների հավասար ծավալներ լցրեք թափանցիկ 250 կամ 500 millilitre շշի մեջ մինչև այն կիսով չափ լցվի՝ մնացած մասը թողնելով որպես օդային տարածք։ Ավելացրեք ներկանյութի մի քանի կաթիլ, փակեք շիշը, կնքեք միացման հատվածը և թողեք հանգիստ, մինչև կապույտը վերանա։ Royal Society of Chemistry-ի ընթացակարգը նույն գաղափարը մեծացնում է մինչև 1 litre խցանված կոլբա՝ 300 millilitres ջուր, 10 grams գլյուկոզա, 8 grams կալիումի հիդրօքսիդ (կամ 6 grams նատրիումի հիդրօքսիդ), ինչպես նաև մի քանի millilitres նոսրացված ներկանյութի պահեստային լուծույթ։

Կատարելու համար ուժեղ թափահարեք։ Լիարժեք կապույտ գույնը զարգանում է վայրկյանների ընթացքում։ Կոլբան դրեք սեղանին և չափեք գույնի մարման ժամանակը։ Royal Society of Chemistry-ն նշում է մեկ լցոնմամբ ավելի քան քսան ցիկլ։ Երբեք շիշը մի լցրեք մինչև եզրը․ առանց փակված օդի չի լինի թթվածնի պաշար, որը կարող է լուծվել։

Ինչ դիտարկել և ինչն է փոխում ժամանակը

Չափեք երեք բան՝ մինչև լիարժեք կապույտ դառնալու համար թափահարման ժամանակը (վայրկյաններ), մինչև անգույն դառնալու համար հանգիստ մնալու ժամանակը (մինչև մի քանի րոպե) և ցիկլերի քանակը մինչև կապույտի թուլանալը։ Յուրաքանչյուր մարման վերջում հետևեք մակերեսին։ Օդ-հեղուկ սահմանին հաճախ պահպանվում է բարակ կապույտ շերտ, որտեղ թթվածինը շարունակում է ներթափանցել դիֆուզիայով։ Այդ գիծը տեսանելի դարձված դիֆուզիան է։

Կապույտ շշի ռեակցիան ենթարկվում է Royal Society of Chemistry-ի ընթացակարգի հետ ներկայացված էմպիրիկ արագության օրենքին՝ rate = k[MB oxidised][glucose]OH-։ Յուրաքանչյուր անդամ կարող է դառնալ դասարանային փորձ։ Ավելի շատ գլյուկոզան, ալկալին կամ ներկանյութը կրճատում են կապույտ վիճակի տևողությունը։ Ջերմությունը արագացնում է գույնի մարումը, իսկ սառը կոլբայում գործընթացը դանդաղում է։ Ավելի ուժեղ թափահարումը լուծում է ավելի շատ թթվածին, ուստի կապույտը պահպանվում է ավելի երկար։ Ավելի մեծ օդային տարածքը երկարացնում է փորձի տևողությունը։ Երբ ցիկլերը վերջապես թուլանում են, իսկ հեղուկը դեղնում է, շաքարը սպառված է, և կողմնակի արգասիքները կուտակվել են։ Այդ վերջնակետն ինքնին արդյունք է, որն արժե գրանցել։

Դիտարկումների աշխատանքային թերթիկ

Պատճենեք այս աղյուսակը տետրերում՝ յուրաքանչյուր փորձարկման համար մեկ տող։ Այս աշխատանքային թերթիկը և վերևի ռեակցիայի գծապատկերը այս հոդվածի տպվող նյութերն են։

Կանխատեսման հարցեր, որոնց պետք է պատասխանել յուրաքանչյուր փորձարկումից առաջ․

1. Շիշը թափահարելուց անմիջապես հետո կապույտ է։ Ներկանյութի ո՞ր ձևն է գերակշռում, և ի՞նչն է այն բերել այդ վիճակին։
2. Շիշը հանգիստ է մնում, և գույնը մարում է։ Ո՞ր ռեակցիան է գերակշռում, և ո՞ր բաղադրիչն է սպառվում։
3. Բազմաթիվ ցիկլերից հետո կապույտը դառնում է թույլ և դեղնավուն։ Այն պետք է վերականգնել ներկանյութո՞վ, ալկալիո՞վ, թե՞ գլյուկոզայով, և ինչո՞ւ։
4. Գծեք գույնի փոփոխությունը ժամանակի նկատմամբ մեկ ցիկլի համար։ Նշեք, թե որտեղ է թթվածինը մտնում լուծույթի մեջ։

Հրահանգչի պատասխանները․ (1) օքսիդացված մեթիլեն կապույտ, որը կրկին օքսիդացվել է օդային տարածքից լուծված թթվածնով, (2) գլյուկոզայով վերականգնում, գլյուկոզան սպառվում է, (3) գլյուկոզա՝ սահմանափակող դոնորը, քանի որ ներկանյութը ցիկլերով անցնում է անփոփոխ, (4) կտրուկ աճ թափահարման ժամանակ, աստիճանական անկում հանգիստ մնալիս, թթվածնի մուտք միայն աճի ընթացքում։

Մերձավոր տարբերակներ, որոնք արժե անվանել

Լուսացույցի ցուցադրությունում օգտագործվում է ինդիգո կարմին, և թթվածնավորմամբ գույները հերթափոխվում են դեղինից կարմիր և կանաչ։ «Կանաչ շիշ» անվանումն օգտագործվում է ոչ խիստ իմաստով․ երբեմն՝ այդ տարբերակի, երբեմն էլ ավելի կանաչ գունային համակարգերի համար, օրինակ՝ ասկորբինաթթվային համակարգերի կամ American Chemical Society-ի նկարագրած ֆերմենտային ցիկլային համակարգի։ Անվանեք հենց այն տարբերակը, որը գտնվում է նստարանի վրա, որպեսզի աշակերտները տարբեր քիմիական համակարգերից ստացված դիտարկումները չմիավորեն։

Անվտանգություն և գործածում

Ամբողջ ընթացքում անհրաժեշտ է վերահսկողություն։ Ալկալային լուծույթի հետ աշխատելիս կամ խցանված անոթը թափահարելիս օգտագործեք քիմիական ցայտերից պաշտպանող ակնոցներ և ձեռնոցներ։ Ալկալին առաջացնում է այրվածքներ, ներկանյութը ներկում է մաշկն ու գործվածքը, իսկ էթանոլով պատրաստված ներկանյութի պահեստային լուծույթները նստարանի վրա ավելացնում են դյուրավառ լուծիչ։ Թափահարելիս անոթը պահեք խցանված։ Ավարտից հետո օգտագործված լուծույթները պահեք՝ ձեր հաստատության լաբորատոր կանոններին համապատասխան մշակելու համար։ Ալկալային և ներկանյութ պարունակող թափոնների նկատմամբ պահանջները տարբերվում են հաստատությունների և իրավազորությունների միջև, ուստի հետևեք ձեր լաբորատորիայի ընդունած ընթացակարգին՝ մեկ այլ աղբյուրից ընթացակարգ չներմուծելով։

Եթե գունային փոփոխությունների փոխարեն թվային տվյալներ են պետք, մեթիլեն կապույտի քանակական անալիզները շարունակում են այնտեղից, որտեղ ավարտվում է այս ցուցադրությունը։

Ինչու են ուսուցիչները շարունակում օգտագործել այս շիշը

Մեկ կոլբան միավորում է չորս գաղափար։ Օքսիդավերականգնումը դառնում է գույն, այլ ոչ թե պարզապես սահմանում։ Միջնորդը ցույց է տալիս, թե ինչպես նյութի չնչին քանակը կարող է տեղեկություն տալ մեկ այլ նյութի մեծ զանգվածի մասին։ Կինետիկան տեսանելիորեն տարանջատվում է թերմոդինամիկայից․ թթվածինը գերակշռում է, քանի դեռ թափահարումը մատակարարում է այն, իսկ գլյուկոզան՝ երբ մատակարարումը դադարում է։ Եվ դիֆուզիան՝ քիմիայի ամենաանաղմուկ գործընթացը, ապահովում է ամբողջ ներկայացումը, քանի որ յուրաքանչյուր կապույտ բռնկում սկսվում է օդից ջուր անցնող թթվածնով։ Ցուցադրությունը, որը աշակերտներին թույլ է տալիս վայրկենաչափով և աղյուսակով կանխատեսել, չափել ժամանակը և բացատրել այս ամենը, արժանի է լաբորատոր նստարանի վրա իր զբաղեցրած տեղին։