Մեթիլեն կապույտի և պերմանգանատի դիֆուզիան. ինչ է ցույց տալիս ագարով փորձը

Ուսուցիչն ագարի շերտում երկու հորիկ է բացում, մեկը լցնում կապույտ ներկանյութով, մյուսը՝ մանուշակագույն լուծույթով, և դասարանին ասում է դիտարկել։ Մեկ ժամ անց մանուշակագույն օղակն ավելի լայն է։ Աշակերտները գրառում են, որ կալիումի պերմանգանատը դիֆուզվում է ավելի արագ, քան մեթիլեն կապույտը, քանի որ այն ավելի թեթև է։

Այս նախադասությունը կիսով չափ ճիշտ է, կիսով չափ՝ մոլորեցնող, և հենց մոլորեցնող մասն է հետաքրքիր։ Ցուցադրական այս փորձը դիֆուզիայի դասի սովորական օրինակ է, որը նկարագրված է, օրինակ, այս ագարում դիֆուզիայի լաբորատոր աշխատանքում, սակայն աշակերտների տեսածը մոլեկուլային զանգվածի ազդեցությունը չէ։ Դա գելի միջով տեսանելի գունավոր սահմանի շարժումն է, որը ձևավորվում է իոնի չափի, հիդրատացման, ներկանյութի կապման, կոնցենտրացիայի, ջերմաստիճանի և սահմանը չափելու եղանակի ազդեցությամբ։

Գունավոր սահմանը դիֆուզիայի գործակիցը չէ

Դիֆուզիան լուծված մասնիկների տարածումն է բարձր կոնցենտրացիայից դեպի ցածր կոնցենտրացիա։ Դիֆուզիայի գործակիցը, որը սովորաբար նշանակվում է D, նկարագրում է, թե տվյալ լուծված նյութը տվյալ միջավայրում և տվյալ ջերմաստիճանում որքան արագ է տարածվում։

Դասարանային փորձի ագարային թիթեղը D-ն անմիջականորեն չի ցուցադրում։ Այն ցույց է տալիս այն սահմանը, որտեղ գույնն այնքան թույլ է դառնում, որ այլևս չի երևում։ Այդ սահմանը կախված է ներկանյութի լույսի կլանման հատկությունից, լուսավորությունից, տեսախցիկի լուսակայումից, հորիկում լցված լուծույթի կոնցենտրացիայից և քանոնը պահող մարդու գնահատականից, ինչպես նաև հենց դիֆուզիայից։

Դասարանում ստացվող չափումը կոչեք իր իրական անունով՝ տեսանելի դիֆուզիոն ճակատի շարժում։ Տեսական նկարագրությունները միջին քառակուսային տեղաշարժը կապում են D-ի հետ այնպիսի առնչություններով, ինչպիսիք ներկայացված են Ֆիկի դիֆուզիայի վերլուծության մեջ, սակայն D-ն տվյալներից որոշելու համար անհրաժեշտ են ժամանակի ընթացքում կոնցենտրացիայի պրոֆիլները, ոչ թե դասի վերջում չափված մեկ տրամագիծ։ Դասարանային փորձի վերաբերյալ հրապարակված մի հետազոտությունում գելում մեթիլեն կապույտի դիֆուզիայի գործակիցը որոշվել է մոտ 4.5 times 10^-10 m^2/s՝ հեռավորության քառակուսու կախումը ժամանակից գծագրելով, այլ ոչ թե վերջնական բծերի չափերը համեմատելով։ Մեկ ակնթարթային պատկերը չի կարող դա ապահովել։

Սա է ցուցադրական փորձի հիմքում ընկած գաղափարը, իսկ մնացած ամեն ինչ վերաբերում է նրան, թե ագարային թիթեղը որքան ճշգրիտ է այն արտացոլում։

Երկու գունավոր իոն, ոչ թե երկու մոլեկուլ

Լուծված նյութերից ոչ մեկը ագարի միջով չի շարժվում շշի վրա տպված բանաձևով ներկայացված ձևով։ Երկուսն էլ ուժեղ էլեկտրոլիտներ են, որոնք ջրում դիսոցվում են։

Կալիումի պերմանգանատը (KMnO4, բանաձևային զանգվածը՝ մոտ 158.03 g/mol) բաժանվում է կալիումի և պերմանգանատի իոնների։ Մանուշակագույն շարժվող մասնիկը պերմանգանատի MnO4^- իոնն է՝ մոտ 118.94 g/mol զանգվածով, շրջապատված ջրային թաղանթով։ Մեթիլեն կապույտի քլորիդը (անջուր աղը՝ C16H18ClN3S, մոտ 319.85 g/mol) բաժանվում է քլորիդի և կապույտ օրգանական MB^+ կատիոնի՝ մոտ 284.41 g/mol զանգվածով, որը նույնպես հիդրատացված է։ NIST-ի մեթիլեն կապույտի գրառումը և ChEBI-ի մեթիլեն կապույտի գրառումը փաստագրում են այս ձևերը, իսկ քիմիայի և կառուցվածքի տեղեկատուն բացատրում է, թե ինչու են կատիոնը, անջուր աղը և հիդրատները պահանջում առանձին անվանումներ։

Այստեղից բխում է երեք հետևանք։

Նախ՝ 158-ը 320-ի հետ համեմատելը թերագնահատում է գունավոր իոնների չափերի իրական տարբերությունը, քանի որ մոտ 119 g/mol զանգվածով մանուշակագույն մասնիկը շատ ավելի փոքր է, քան մոտ 284 g/mol զանգվածով կապույտ կատիոնը, և երկուսն էլ ունեն հիդրատացման թաղանթներ, որոնք մեծացնում են դրանց արդյունավետ չափը։

Երկրորդ՝ մեթիլեն կապույտի կատիոնները կպչում են տարբեր նյութերի։ Կոնցենտրացիայի աճին զուգընթաց դրանք առաջացնում են դիմերներ և ավելի մեծ ագրեգատներ, ինչպես նաև ադսորբվում են ագարի վրա. ագարի վրա ադսորբման հետազոտություններում արձանագրվել է թե՛ մոնոմերի, թե՛ դիմերի կապում։ Ադսորբված ներկանյութը մնում է անշարժ։ Այն գունավորում է գելը՝ առանց ճակատը առաջ տանելու։

Երրորդ՝ սովորաբար օգտագործվող ռեագենտի փոշին հիդրատ է, ուստի կշռված մեկ գրամը բյուրեղում ջուր է պարունակում։ Տրիհիդրատի և անջուր ձևի համեմատությունը ցույց է տալիս, թե դա ինչպես է փոխում մոլյար կոնցենտրացիան։ Դասարանում արդար համեմատություն կատարելու համար պատրաստեք աղերի հավասար մոլյար կոնցենտրացիաներով լուծույթներ և գրանցեք, թե որ պինդ ձևն է օգտագործվել։

Ինչու այստեղ ավելի թեթև չի նշանակում ավելի արագ

Նոսր լուծույթներում զանգվածի վրա հիմնված մոդելից ավելի լավ մեկնարկային մոդել է Ստոքս–Այնշտայնի նկարագրությունը, ըստ որի դիֆուզիայի գործակիցը համեմատական է ջերմաստիճանին և հակադարձ համեմատական՝ մածուցիկությանն ու հիդրոդինամիկ շառավղին։ Ավելի փոքր հիդրատացված չափը առավելություն է տալիս։ Մեկ քիմիական ընտանիքի ներսում ավելի փոքր զանգվածը հաճախ կապված է ավելի փոքր չափի հետ, ուստի թեթև լինելը կարող է բացատրություն թվալ։ Դա փոխկապակցվածություն է, ոչ թե մեխանիզմ։

Գրեհեմի օրենքը, ըստ որի գազերի էֆուզիայի արագությունները հակադարձ համեմատական են մոլային զանգվածի քառակուսի արմատին, այս թիթեղի համար կիրառելի չէ։ Դրա արտածումը պատկանում է գազերի կինետիկ տեսությանը, որն ամփոփված է գազերի էֆուզիայի և դիֆուզիայի վերաբերյալ OpenStax-ի այս նյութում։ Հեղուկներում ավելանում են մածուցիկ դիմադրությունը, հիդրատացումը, ձևի ազդեցությունը և մասնիկների խիտ դասավորվածությունը։ Գելերում ավելանում են ծակոտիների կառուցվածքը, ուղիների ոլորունությունը, ադսորբումը և պոլիմերի հետ լիցքային փոխազդեցությունները։

Թվերը բացահայտում են անհամապատասխանությունը։ 158-ի և 320-ի նկատմամբ կիրառված Գրեհեմի օրենքը կանխատեսում է արագությունների մոտ 1.42 հարաբերություն։ Նոսր ջրային լուծույթներում չափված դիֆուզիայի գործակիցները այլ պատկեր են տալիս. պերմանգանատի համար՝ մոտ 1.6–1.8 times 10^-9 m^2/s, իսկ մեթիլեն կապույտի համար՝ մոտ 4.5–5 times 10^-10 m^2/s, այսինքն՝ 3-ին կամ 4-ին ավելի մոտ հարաբերություն։ Միայն զանգվածը չի կարող ապահովել այդ հարաբերությունը։ Մնացած տարբերությունը պայմանավորված է հիդրատացված չափով, ագրեգացմամբ և գելի հետ կապմամբ։

«Ավելի թեթև՝ ավելի արագ» պատկերացումը դիտարկեք որպես ենթադրությունների վրա հիմնված մոդել՝ գնդաձև մասնիկներ, կապման բացակայություն, ագրեգացման բացակայություն, նույնական պայմաններ։ Ագարային թիթեղը խախտում է դրանցից առնվազն երկուսը։

Ինչպես կատարել արդար համեմատություն

Ցուցադրական փորձը ձախողվում է նույն կերպ, ինչպես ծրագրային ապահովումը. հիմքում ընկած գաղափարը հիմնավոր է, բայց գաղափարից չափման անցումը լի է թակարդներով։ Ստորև նշված գործոններից յուրաքանչյուրը փոխում է պատասխանը՝ առանց որևէ մոլեկուլային հատկություն փոխելու։

Օգտագործեք ագարի մեկ խմբաքանակ՝ լցված միևնույն հաստությամբ, հորիկներ բացելու մեկ գործիք, հեղուկի հավասար ծավալներ, հավասար մոլյար կոնցենտրացիաներ և բավականաչափ ցածր կոնցենտրացիաներ՝ մեթիլեն կապույտի ագրեգացումը սահմանափակելու և գույնը չհագեցնելու համար։ Յուրաքանչյուր լուծված նյութի համար բացեք առնվազն երեք կրկնակի փորձի հորիկ՝ այնպիսի հեռավորությամբ, որ ճակատները երբեք չհանդիպեն։ Ծածկեք թասերը, պահեք դրանք հորիզոնական դիրքում և պահպանեք հաստատուն ջերմաստիճան, քանի որ ագարում ներկանյութերի ուսումնասիրությունները ցույց են տալիս արտահայտված կախվածություն ջերմաստիճանից և կոնցենտրացիայից։ Ժամանակի զրոյական պահը սահմանեք որպես լցման պահ, իսկ գունավոր սահմանի սահմանումը որոշեք չափումից առաջ. լուսանկարում ֆիքսված շեմը ավելի լավ է, քան աչքով որոշված սահմանը, քանի որ կապույտն ու մանուշակագույնը տեսողական հայտնաբերման տարբեր շեմեր ունեն։ Յուրաքանչյուր բծի համար գրանցեք երկու փոխուղղահայաց տրամագիծ և դրանցից հաշվեք միջին շառավիղը, քանի որ շառավիղը տրամագծի հետ շփոթելը ցանկացած հեռավորության քառակուսու գրաֆիկում առաջացնում է չորսապատիկ սխալ։

Նշումներ: ձախ պատկերը ցույց է տալիս վերևից դիտելիս յուրաքանչյուր ճակատի շառավղի չափումը՝ հորիկի եզրից մինչև գունավոր սահմանը, աջ պատկերը ցույց է տալիս ագարի կտրվածքը՝ հորիկի խորությամբ և դեպի դուրս տարածվող գրադիենտային լուսապսակներով, իսկ պայմանական նշանների ցանկում թվարկված են վերահսկվող փոփոխականները (ագարի տոկոսային պարունակություն, հաստություն, ներկանյութի մոլյար կոնցենտրացիա, ծավալ, հորիկի չափ, ջերմաստիճան, ժամանակի զրոյական պահ, լուսավորություն)։

Զգուշացեք մոլորեցնող երևույթներից։ Ագարի մակերևույթով տարածվող հեղուկը արագ դիֆուզիայի տպավորություն է ստեղծում և փոքր ագարային հորիկների դեպքում փաստագրված արտեֆակտ է։ Պերմանգանատը ուժեղ օքսիդիչ է և կարող է ծախսվել օրգանական նյութերի հետքային քանակների հետ փոխազդելիս, ինչը կանգնեցնում կամ գունազրկում է դրա ճակատը։ Մեթիլեն կապույտը օքսիդավերականգնման ակտիվություն ունի և կարող է գունաթափվել լույսի ազդեցությամբ կամ վերականգնող պայմաններում. մեթիլեն կապույտի և դրա անգույն վերականգնված ձևի օքսիդավերականգնման քիմիան բացատրում է այդ վարքը։

Կարճ նշում լուծիչի մասին. ստանդարտ ցուցադրական փորձում երկու հորիկներն էլ պարունակում են ջրային լուծույթներ։ Եթե որևէ արձանագրությունում լուծիչը փոխվում է, նախ ծանոթացեք լուծելիության և լուծույթի պատրաստման ուղեցույցին, քանի որ լուծելիությունն ու ագրեգացումը փոխվում են միջավայրից կախված։

Դասարանային դիտարկումների աշխատանքային թերթիկ

Այս աղյուսակն արտագրեք տետրերի մեջ կամ յուրաքանչյուր հորիկի համար տպեք մեկ տող։ Յուրաքանչյուր թասի համար առանձին աղյուսակ օգտագործելը թույլ է տալիս կրկնակի փորձերը ճիշտ հաշվառել։

Վերլուծության համար յուրաքանչյուր հորիկի միջին շառավղի քառակուսու կախումը անցած ժամանակից ներկայացրեք գրաֆիկով և համեմատեք թեքությունները՝ գրաֆիկի կողքին նշելով սահմանի սահմանումը։ Եթե բոլոր վեց կորերը ներկայացվեն իրենց ցրվածությամբ, դասարանը տարբերությունները կդիտարկի որպես տվյալներ, ոչ թե անհարմարություն։

Անվտանգությունը փորձի արձանագրության մասն է. կրեք ձեռնոցներ և աչքերի պաշտպանիչ միջոցներ, քանի որ մեթիլեն կապույտը ներկում է մաշկն ու հագուստը, իսկ պերմանգանատն օքսիդիչ է, որը ներկում և գրգռում է։ Թույլ մի տվեք, որ լուծույթները հայտնվեն բերանում, աշխատեք սկուտեղի վրա և թիթեղներն ու հեղուկները հեռացրեք դպրոցի քիմիական թափոնների համար նախատեսված կարգով, ոչ թե լվացարանի միջոցով։

Գրառման արժանի նախադասությունը

Ագարի, կոնցենտրացիայի և ջերմաստիճանի այս պայմաններում պերմանգանատի տեսանելի ճակատը սովորաբար տարածվում է ավելի արագ, քան մեթիլեն կապույտի ճակատը։ Դա համապատասխանում է պերմանգանատի ավելի մեծ արդյունավետ դիֆուզիայի գործակցին՝ հիմնականում այն պատճառով, որ դրա հիդրատացված իոնը շատ ավելի փոքր է, և այն չի ագրեգացվում կամ կապվում ագարի հետ այնպես, ինչպես մեթիլեն կապույտը։ Այստեղ մոլեկուլային զանգվածը կապված է չափերի այդ տարբերության հետ, սակայն միայն զանգվածը չի որոշում հեղուկներում կամ գելերում դիֆուզիայի արագությունները։

Այս նախադասությունը գրառած դասարանը սովորել է երկու բան՝ փաստ երկու գունավոր իոնների մասին և սովորություն՝ նախ հարցնելու, թե ցուցադրական փորձն ինչ է չափում, ապա միայն վստահելու դրա թվացյալ ասելիքին։