Eksperimen botol biru: kimia, prosedur, dan pengamatan

Sebuah botol bening berada di atas meja laboratorium. Isinya tampak seperti air. Seseorang mengocoknya, lalu cairannya berubah menjadi biru cerah. Setelah diletakkan, warna biru menghilang dalam satu atau dua menit. Kocok lagi dan warna biru kembali. Satu kali pengisian dapat mengulangi proses ini dua puluh kali atau lebih.

Siswa biasanya menebak bahwa ada sesuatu yang tersembunyi di dalam botol, atau bahwa pengocokan mencampurkan dua lapisan. Kedua tebakan itu terbukti keliru dengan cara yang mendidik. Warna tersebut berasal dari satu zat warna, metilena biru, yang tersebar di seluruh larutan. Yang berubah adalah jumlah elektron yang dibawa zat warna tersebut. Demonstrasi ini adalah siklus redoks yang dibuat terlihat, dan setiap variabel yang dapat diamati kelas, waktu pengocokan, suhu, konsentrasi, berkaitan dengan suatu komponen dalam kimianya.

Dua bentuk dari zat warna yang sama

Metilena biru teroksidasi adalah sistem cincin datar bermuatan positif. Senyawa ini menyerap kuat pada kisaran sekitar 600 hingga 700 nanometres, yang terlihat oleh mata sebagai biru tua. Kedua bentuk dan spektrumnya dibahas dalam panduan struktur dan sifat metilena biru.

Reduksi menambahkan dua elektron dan satu proton, menghasilkan leukometilena biru: tidak bermuatan, tidak planar, dan secara efektif tidak berwarna. Dalam larutan basa, setengah reaksinya adalah MB+ + H2O + 2 e- ⇌ LMB + OH-. Tahap ini sepenuhnya reversibel. Biru berarti teroksidasi, tidak berwarna berarti tereduksi, dan tidak ada keadaan ketiga yang perlu dilacak, sehingga demonstrasi ini menjadi pengenalan awal yang jelas terhadap kimia redoks.

Siklus: glukosa mereduksi, oksigen mengoksidasi kembali

Botol berisi tiga bahan aktif: metilena biru, glukosa, dan basa kuat, kalium atau natrium hidroksida. Basa mendorong glukosa membentuk spesies terdeprotonasi reaktif yang mendonorkan elektron kepada zat warna:

gula pereduksi + MB (biru, teroksidasi) -> produk gula teroksidasi + LMB (tidak berwarna)

Tahap lambat ini menghilangkan warna saat botol didiamkan. Glukosa adalah donor yang dikorbankan dan akan habis. Zat warna hanya memindahkan elektron, sehingga beberapa tetes cukup untuk satu botol penuh. Penjelasan kelas yang lebih lama menyebutkan bahwa glukosa berubah menjadi asam glukonat. Penyederhanaan itu dapat memprediksi pengamatan, tetapi pengajar perlu mengetahui bahwa penjelasan tersebut tidak lengkap: sebuah analisis mekanistik yang diterbitkan di Royal Society Open Science menelusuri oksidasi melalui enediolat reaktif menjadi dikarbonil yang terfragmentasi menjadi asam-asam yang lebih kecil.

Pengocokan membalik hasil yang terlihat. Agitasi melarutkan oksigen dari udara yang terperangkap di ruang kepala, dan oksigen mengoksidasi kembali zat warna yang tereduksi:

LMB (tidak berwarna) + O2 -> MB (biru) + produk oksigen tereduksi

Saat didiamkan, oksigen terlarut habis, glukosa kembali mereduksi zat warna, dan warnanya memudar. Setelah banyak siklus, kimia bersihnya adalah oksidasi gula oleh udara, sementara zat warna bersiklus tanpa berubah sebagai mediator redoks. Zat warna ini merupakan mediator, bukan katalis dalam arti ketat, karena oksidasi gula tetap berlangsung tanpanya, dan pemudaran warna bukanlah dekomposisi: zat warna yang telah rusak tidak dapat dipulihkan dengan pengocokan. Untuk menjaga kestabilan stok zat warna di antara demonstrasi, lihat catatan tentang penanganan dan penyimpanan larutan metilena biru.

Prosedur untuk demonstrasi dengan pengawasan

Ini adalah demonstrasi dengan pengawasan, bukan kegiatan rumah tangga. Basa mengharuskan penggunaan pelindung mata, sarung tangan, dan seorang pengajar yang bertanggung jawab atas persiapan serta pembersihan. Dua formulasi yang terdokumentasi memiliki struktur yang sama dan berbeda dalam skalanya.

Lembar instruksi untuk demonstrasi yang diterbitkan oleh departemen kimia Indiana University menggunakan sekitar 5 persen kalium hidroksida, 4 persen glukosa, dan 1 persen metilena biru berair. Tuangkan volume yang sama dari larutan basa dan glukosa ke dalam botol transparan 250 atau 500 millilitre hingga setengah penuh, dengan menyisakan sisanya sebagai ruang kepala berisi udara. Tambahkan beberapa tetes zat warna, pasang tutup, segel sambungannya, dan diamkan hingga warna biru menghilang. Prosedur Royal Society of Chemistry menerapkan gagasan yang sama pada labu bertutup 1 litre: 300 millilitres air, 10 grams glukosa, 8 grams kalium hidroksida (atau 6 grams natrium hidroksida), ditambah beberapa millilitres stok zat warna encer.

Untuk menjalankannya, kocok dengan kuat. Warna biru penuh terbentuk dalam hitungan detik. Letakkan labu dan ukur waktu pemudarannya. Royal Society of Chemistry melaporkan lebih dari dua puluh siklus per pengisian. Jangan pernah mengisi botol sampai penuh: tanpa udara yang terperangkap, tidak ada cadangan oksigen yang dapat larut.

Apa yang perlu diamati, dan apa yang mengubah waktunya

Ukur tiga hal: waktu pengocokan hingga biru penuh (seconds), waktu didiamkan hingga tidak berwarna (hingga beberapa menit), dan jumlah siklus sebelum warna biru melemah. Menjelang akhir setiap pemudaran, perhatikan permukaan. Lapisan biru tipis sering bertahan di antarmuka udara, tempat oksigen terus berdifusi masuk. Garis tersebut adalah difusi yang dibuat terlihat.

Reaksi botol biru mengikuti hukum laju empiris yang dilaporkan bersama prosedur Royal Society of Chemistry: rate = k[MB oxidised][glucose]OH-. Setiap suku dapat dijadikan eksperimen kelas. Lebih banyak glukosa, basa, atau zat warna memperpendek periode biru. Suhu hangat mempercepat pemudaran; labu dingin bereaksi lebih lambat. Pengocokan yang lebih kuat melarutkan lebih banyak oksigen, sehingga warna biru bertahan lebih lama. Ruang kepala yang lebih besar memperpanjang rangkaian siklus. Ketika siklus akhirnya melemah dan cairan menguning, gula telah habis dan produk samping telah terakumulasi. Titik akhir itu sendiri merupakan hasil yang layak dicatat.

Lembar kerja pengamatan

Salin tabel ini ke buku catatan, satu baris untuk setiap percobaan. Lembar kerja ini bersama diagram reaksi di atas adalah materi yang dapat dicetak untuk artikel ini.

Pertanyaan prediksi, dijawab sebelum setiap percobaan:

• Botol berwarna biru tepat setelah dikocok. Bentuk zat warna mana yang dominan, dan apa yang membuatnya berada dalam bentuk tersebut?
• Botol didiamkan dan warnanya memudar. Reaksi mana yang sedang mendominasi, dan bahan mana yang digunakan hingga habis?
• Setelah banyak siklus, warna biru menjadi pucat dan kekuningan. Pulihkan dengan zat warna, basa, atau glukosa, dan mengapa?
• Gambarkan warna terhadap waktu untuk satu siklus. Tandai bagian ketika oksigen memasuki larutan.

Jawaban pengajar: (1) metilena biru teroksidasi, dioksidasi kembali oleh oksigen terlarut dari ruang kepala; (2) reduksi oleh glukosa, glukosa dikonsumsi; (3) glukosa, donor pembatas, karena zat warna bersiklus tanpa berubah; (4) kenaikan tajam saat dikocok, penurunan bertahap saat didiamkan, oksigen masuk hanya selama kenaikan.

Kerabat dekat yang perlu disebutkan

Demonstrasi lampu lalu lintas mengganti metilena biru dengan indigo carmine dan melalui tahap kuning, merah, dan hijau seiring oksigenasi. Nama botol hijau digunakan secara longgar: terkadang untuk varian tersebut, terkadang untuk formulasi yang lebih hijau seperti sistem asam askorbat atau sistem siklus enzimatik yang dijelaskan oleh American Chemical Society. Sebutkan secara spesifik varian yang digunakan di meja laboratorium agar siswa tidak mencampurkan pengamatan dari sistem kimia yang berbeda.

Keselamatan dan penanganan

Pengawasan harus dilakukan sepanjang kegiatan. Gunakan pelindung mata terhadap percikan bahan kimia dan sarung tangan saat menangani larutan basa atau mengocok wadah bertutup. Basa dapat menyebabkan luka bakar, zat warna dapat menodai kulit dan kain, dan stok zat warna yang dibuat dengan etanol menambahkan pelarut mudah terbakar ke meja laboratorium. Jaga wadah tetap tertutup saat dikocok. Setelah selesai, simpan larutan bekas untuk ditangani sesuai aturan laboratorium institusi Anda sendiri. Persyaratan untuk limbah basa yang mengandung zat warna berbeda antar-institusi dan yurisdiksi, jadi ikuti prosedur yang berlaku di laboratorium Anda alih-alih mengambil prosedur dari sumber lain.

Jika Anda menginginkan data angka alih-alih perubahan warna, pengujian kuantitatif untuk metilena biru melanjutkan analisis dari titik berakhirnya demonstrasi ini.

Mengapa pengajar terus menggunakan botol ini

Satu labu merangkum empat gagasan. Redoks menjadi suatu warna, bukan sekadar definisi. Mediator menunjukkan bagaimana sejumlah kecil satu zat dapat melaporkan keadaan sejumlah besar zat lain. Kinetika dapat dibedakan secara visual dari termodinamika: oksigen mendominasi ketika pengocokan memasoknya, sedangkan glukosa mendominasi ketika pasokan berhenti. Dan difusi, salah satu proses paling tenang dalam kimia, memungkinkan seluruh demonstrasi ini berlangsung, karena setiap kilatan biru dimulai saat oksigen berpindah dari udara ke air. Demonstrasi yang memungkinkan siswa memprediksi, mengukur waktu, dan menjelaskan semua itu hanya dengan stopwatch dan tabel layak mendapatkan tempatnya di meja laboratorium.