Difusi metilena biru dan permanganat: apa yang ditunjukkan eksperimen agar

Seorang guru membuat dua sumur pada pelat agar, mengisi satu dengan pewarna biru dan satu lagi dengan larutan ungu, lalu meminta kelas untuk mengamati. Satu jam kemudian, cincin ungu lebih lebar. Kelas mencatat bahwa kalium permanganat berdifusi lebih cepat daripada metilena biru karena lebih ringan.

Kalimat itu separuh benar dan separuh menyesatkan, dan bagian yang menyesatkan justru paling menarik. Demonstrasi ini merupakan pelajaran difusi standar, seperti yang dijelaskan misalnya dalam latihan laboratorium difusi agar ini, tetapi yang dilihat siswa bukanlah berat molekul yang sedang bekerja. Yang mereka lihat adalah pergerakan tepi warna yang tampak melalui gel, yang dipengaruhi oleh ukuran ion, hidrasi, pengikatan pewarna, konsentrasi, suhu, dan cara tepi tersebut diukur.

Tepi berwarna bukanlah koefisien difusi

Difusi adalah penyebaran partikel terlarut dari konsentrasi tinggi ke konsentrasi rendah. Koefisien difusi, yang biasanya ditulis D, menggambarkan seberapa cepat penyebaran itu terjadi untuk suatu zat terlarut tertentu dalam medium tertentu pada suhu tertentu.

Pelat di kelas tidak menampilkan D secara langsung. Pelat tersebut menampilkan batas tempat warna menjadi terlalu samar untuk terlihat. Batas itu bergantung pada absorptivitas pewarna, pencahayaan, eksposur kamera, konsentrasi yang dimasukkan ke dalam sumur, dan penilaian orang yang memegang penggaris, selain pada difusi itu sendiri.

Sebut pembacaan di kelas sesuai dengan apa adanya: pergerakan front difusi yang terlihat. Perlakuan formal menghubungkan perpindahan kuadrat rata-rata dengan D melalui hubungan seperti yang ditemukan dalam analisis difusi Fickian, tetapi menentukan D memerlukan profil konsentrasi sepanjang waktu, bukan satu diameter pada akhir kelas. Satu studi kelas yang telah dipublikasikan memperoleh difusivitas metilena biru sekitar 4.5 times 10^-10 m^2/s dalam gel dengan memplot jarak kuadrat terhadap waktu, bukan membandingkan ukuran akhir bercak. Satu cuplikan saja tidak dapat melakukan pekerjaan itu.

Inilah konsep di balik demonstrasi tersebut, dan selebihnya adalah rincian mengenai seberapa akurat pelat merepresentasikannya.

Dua ion berwarna, bukan dua molekul

Tidak satu pun zat terlarut bergerak melalui agar dalam bentuk rumus yang tercetak pada botol. Keduanya merupakan elektrolit kuat yang terdisosiasi dalam air.

Kalium permanganat (KMnO4, massa rumus sekitar 158.03 g/mol) terpisah menjadi ion kalium dan ion permanganat. Spesies ungu yang bergerak adalah ion permanganat MnO4^-, dengan massa sekitar 118.94 g/mol, yang dikelilingi oleh selubung air. Metilena biru klorida (garam anhidrat C16H18ClN3S, sekitar 319.85 g/mol) terpisah menjadi klorida dan kation organik biru MB^+, dengan massa sekitar 284.41 g/mol, yang juga terhidrasi. Catatan NIST untuk metilena biru dan entri ChEBI untuk metilena biru mendokumentasikan bentuk-bentuk ini, dan referensi kimia dan struktur menjelaskan mengapa kation, garam anhidrat, dan hidrat memerlukan nama yang berbeda.

Ada tiga konsekuensi.

Pertama, membandingkan 158 dengan 320 mengecilkan perbedaan ukuran sebenarnya antara ion berwarna, karena spesies ungu dengan massa sekitar 119 g/mol jauh lebih kecil daripada kation biru dengan massa sekitar 284 g/mol, dan keduanya membawa selubung hidrasi yang menambah ukuran efektif.

Kedua, kation metilena biru mudah menempel pada berbagai material. Kation ini membentuk dimer dan agregat yang lebih besar seiring meningkatnya konsentrasi, serta teradsorpsi pada agar, dengan pengikatan monomer maupun dimer dilaporkan dalam studi adsorpsi agar. Pewarna yang teradsorpsi tetap diam. Pewarna tersebut memberi warna pada gel tanpa memajukan front.

Ketiga, bubuk reagen yang umum digunakan merupakan hidrat, sehingga satu gram yang ditimbang mengandung air di dalam kristal. Perbandingan trihidrat dan anhidrat menunjukkan bagaimana hal itu mengubah molaritas. Untuk perbandingan kelas yang adil, siapkan larutan dengan konsentrasi molar garam yang sama dan catat bentuk padatan yang digunakan.

Mengapa lebih ringan tidak berarti lebih cepat di sini

Dalam cairan encer, model awal yang lebih baik daripada massa adalah gambaran Stokes-Einstein, yaitu difusivitas berbanding dengan suhu yang dibagi oleh viskositas dan jari-jari hidrodinamik. Ukuran terhidrasi yang lebih kecil memberikan keuntungan. Massa yang lebih rendah sering berkorelasi dengan ukuran yang lebih kecil dalam satu keluarga kimia, sehingga lebih ringan dapat tampak seperti sebuah penjelasan. Itu adalah korelasi, bukan mekanismenya.

Hukum Graham, yang menyatakan bahwa laju efusi gas berbanding dengan kebalikan akar kuadrat massa molar, tidak mengatur pelat ini. Penurunannya berasal dari teori kinetik gas, yang dirangkum dalam pembahasan OpenStax tentang efusi dan difusi gas. Cairan menambahkan hambatan viskos, hidrasi, efek bentuk, dan kepadatan partikel. Gel menambahkan struktur pori, tortuositas, adsorpsi, dan interaksi muatan dengan polimer.

Angkanya memperlihatkan perbedaannya. Hukum Graham yang diterapkan pada 158 versus 320 memprediksi rasio laju sekitar 1.42. Difusivitas terukur dalam air encer menunjukkan hal berbeda: permanganat sekitar 1.6 hingga 1.8 times 10^-9 m^2/s dibandingkan dengan metilena biru sekitar 4.5 hingga 5 times 10^-10 m^2/s, dengan rasio yang lebih dekat ke 3 atau 4. Massa saja tidak dapat menghasilkan rasio tersebut. Ukuran terhidrasi, agregasi, dan pengikatan pada gel menjelaskan sisanya.

Perlakukan gagasan lebih ringan-berarti-lebih-cepat sebagai model dengan asumsi: partikel berbentuk bola, tidak ada pengikatan, tidak ada agregasi, dan kondisi identik. Pelat ini melanggar setidaknya dua di antaranya.

Cara melakukan perbandingan yang adil

Demonstrasi ini gagal dengan cara yang sama seperti perangkat lunak gagal: gagasan dasarnya benar, tetapi pemetaan dari gagasan ke pengukuran penuh dengan jebakan. Setiap hal berikut dapat mengubah hasil tanpa mengubah sifat molekuler apa pun.

Gunakan satu batch agar yang dituangkan hingga kedalaman yang sama, satu alat pemotong sumur, volume cairan yang sama, konsentrasi molar yang sama, dan konsentrasi yang cukup rendah untuk membatasi agregasi metilena biru serta menjaga agar warna tidak jenuh. Buat setidaknya tiga sumur replikasi untuk setiap zat terlarut, dengan jarak yang cukup agar front tidak pernah bertemu. Tutup cawan, jaga tetap rata, dan pertahankan suhu konstan, karena penelitian pewarna dalam agar menunjukkan ketergantungan kuat pada suhu dan konsentrasi. Tetapkan waktu nol sebagai saat pengisian, dan definisikan tepi sebelum mengukur: ambang fotografi tetap lebih baik daripada batas yang ditentukan dengan mata, karena warna biru dan ungu memiliki batas deteksi visual yang berbeda. Catat dua diameter yang saling tegak lurus untuk setiap bercak dan konversikan menjadi jari-jari rata-rata, karena tertukarnya jari-jari dengan diameter akan mengacaukan setiap plot jarak kuadrat dengan faktor empat.

Label: panel kiri menunjukkan jari-jari dari tampak atas yang diukur dari tepi sumur ke tepi warna untuk setiap front; panel kanan menunjukkan penampang agar dengan kedalaman sumur dan halo gradien yang menyebar ke luar; legenda mencantumkan variabel terkendali (persentase agar, ketebalan, molaritas pewarna, volume, ukuran sumur, suhu, waktu nol, pencahayaan).

Waspadai hasil semu. Cairan yang tumpah di atas permukaan agar terlihat seperti difusi cepat dan merupakan artefak yang terdokumentasi pada sumur agar kecil. Permanganat adalah oksidator kuat dan dapat terkonsumsi oleh jejak bahan organik, sehingga front-nya terhenti atau memudar. Metilena biru bersifat aktif secara redoks dan dapat memudar di bawah cahaya atau dalam kondisi pereduksi; kimia redoks metilena biru dan bentuk tereduksinya yang tidak berwarna menjelaskan perilaku tersebut.

Catatan singkat tentang pelarut: kedua sumur dalam demonstrasi standar menggunakan larutan berair. Jika suatu protokol mengganti pelarut, periksa terlebih dahulu panduan kelarutan dan penyiapan larutan, karena kelarutan dan agregasi berubah sesuai medium.

Lembar kerja pengamatan kelas

Salin tabel ini ke buku catatan atau cetak satu baris untuk setiap sumur. Satu tabel per cawan menjaga pencatatan replikasi tetap konsisten.

Untuk analisis, plot jari-jari rata-rata kuadrat terhadap waktu berlalu untuk setiap sumur dan bandingkan kemiringannya, sambil mencantumkan definisi tepi bersama grafik. Jika keenam kurva ditampilkan beserta sebarannya, kelas akan melihat variasi sebagai data, bukan sebagai sesuatu yang memalukan.

Keselamatan merupakan bagian dari protokol: gunakan sarung tangan dan pelindung mata, karena metilena biru menodai kulit dan pakaian, sedangkan permanganat merupakan oksidator yang menodai dan mengiritasi. Jauhkan larutan dari mulut, bekerja di atas baki, dan buang pelat serta cairan melalui jalur limbah kimia sekolah, bukan melalui wastafel.

Kalimat yang layak dicatat

Dalam kondisi agar, konsentrasi, dan suhu ini, front permanganat yang terlihat biasanya menyebar lebih cepat daripada front metilena biru. Hal itu konsisten dengan permanganat yang memiliki difusivitas efektif lebih besar, terutama karena ion terhidrasinya jauh lebih kecil dan tidak beragregasi atau berikatan dengan agar seperti metilena biru. Massa molekul berkorelasi dengan perbedaan ukuran tersebut dalam kasus ini, tetapi massa saja tidak menentukan laju difusi dalam cairan atau gel.

Kelas yang menulis kalimat itu telah mempelajari dua hal: satu fakta tentang dua ion berwarna, dan kebiasaan untuk menanyakan apa yang sebenarnya diukur oleh sebuah demonstrasi sebelum mempercayai apa yang tampaknya ditunjukkannya.