Bláflöskutilraunin: efnafræði, framkvæmd og athuganir

Glær flaska stendur á borðinu. Hún lítur út eins og vatn. Einhver hristir hana og vökvinn verður skærblár. Þegar flaskan er sett niður hverfur blái liturinn á einni eða tveimur mínútum. Hristu hana aftur og blái liturinn kemur aftur. Með einni fyllingu má endurtaka þetta tuttugu sinnum eða oftar.

Nemendur giska yfirleitt á að eitthvað hafi verið falið í flöskunni eða að hristingin hafi blandað saman tveimur lögum. Báðar tilgáturnar reynast rangar á lærdómsríkan hátt. Liturinn kemur frá einu litarefni, metýlenbláu, sem er til staðar í öllum vökvanum. Það sem breytist er hversu margar rafeindir litarefnið ber. Tilraunin gerir oxunar-afoxunarhringrás sýnilega og hver breyta sem bekkurinn getur fylgst með, hristitími, hitastig, styrkur, samsvarar lið í efnafræðinni.

Tvö form sama litarefnis

Oxað metýlenblátt er flatt, jákvætt hlaðið hringkerfi. Það gleypir ljós sterkt á bilinu um 600 til 700 nanometres, sem augað skynjar sem djúpblátt. Fjallað er um formin tvö og litróf þeirra í leiðarvísinum um byggingu og eiginleika metýlenblás.

Afoxun bætir við tveimur rafeindum og einni róteind og myndar leúkómetýlenblátt: óhlaðið, ekki flatt og í raun litlaust. Í basískri lausn er hálfhvarfið MB+ + H2O + 2 e- ⇌ LMB + OH-. Ferlið er að fullu afturkræft. Blár litur merkir oxað form, litlaust merkir afoxað form og ekkert þriðja ástand þarf að fylgjast með, sem gerir þetta að skýrri fyrstu kynningu á oxunar-afoxunarefnafræði.

Hringrásin: glúkósi afoxar, súrefni oxar aftur

Flaskan inniheldur þrjú virk innihaldsefni: metýlenblátt, glúkósa og sterkan basa, kalíumhýdroxíð eða natríumhýdroxíð. Basinn stuðlar að myndun hvarfgjarnra, afprótóneraðra forma glúkósa sem gefa litarefninu rafeindir:

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

Þetta hæga skref lætur litinn hverfa meðan flaskan stendur. Glúkósi er fórnargjafi rafeinda og eyðist. Litarefnið flytur aðeins rafeindir, þannig að nokkrir dropar duga fyrir heila flösku. Í eldri kennslulýsingum er sagt að glúkósi verði að glúkónsýru. Sú einföldun spáir rétt fyrir um athuganirnar, en kennarar ættu að vita að hún er ófullnægjandi: greining á hvarfganginum sem birt var í Royal Society Open Science rekur oxunina í gegnum hvarfgjarnt enedíólat yfir í díkarbónýlsamband sem klofnar í smærri sýrur.

Hristing snýr sýnilegu niðurstöðunni við. Hreyfingin leysir súrefni úr loftinu í lokuðu loftrýminu yfir vökvanum og súrefnið oxar afoxaða litarefnið aftur:

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

Þegar flaskan stendur klárast uppleysta súrefnið, glúkósi afoxar litarefnið aftur og liturinn dofnar. Eftir margar hringrásir er heildarferlið oxun sykurs með súrefni úr lofti, en litarefnið fer óbreytt í gegnum hringrásina sem oxunar-afoxunarmiðlari. Það er miðlari fremur en eiginlegur hvati, þar sem oxun sykursins fer einnig fram án þess, og dofnunin er ekki niðurbrot: eyðilagt litarefni væri ekki hægt að endurvekja með hristingu. Um stöðugleika litarefnislausna milli sýnikennslutilrauna má sjá athugasemdir um meðhöndlun og geymslu metýlenblárra lausna.

Framkvæmd fyrir sýnikennslu undir eftirliti

Þetta er sýnikennslutilraun undir eftirliti, ekki heimilisverkefni. Sterkur basi krefst augnhlífa, hanska og kennara sem ber ábyrgð á undirbúningi og frágangi. Tvær skráðar uppskriftir eru byggðar upp á sama hátt en eru í mismunandi stærð.

Leiðbeiningablaðið fyrir sýnikennsluna eins og hún er birt af efnafræðideild Indiana University notar um það bil 5 percent kalíumhýdroxíð, 4 percent glúkósa og 1 percent vatnslausn af metýlenbláu. Hellið jöfnu rúmmáli af basa- og glúkósalausn í gegnsæja 250 eða 500 millilitre flösku þar til hún er hálffull og skiljið afganginn eftir sem loftrými. Bætið við nokkrum dropum af litarefni, setjið tappann á, þéttið samskeytin og látið standa þar til blái liturinn hverfur. Aðferð Royal Society of Chemistry stækkar sömu hugmynd upp í 1 litre tappaða flösku: 300 millilitres af vatni, 10 grams af glúkósa, 8 grams af kalíumhýdroxíði (eða 6 grams af natríumhýdroxíði), auk nokkurra millilitres af þynntri litarefnisstofnlausn.

Til að framkvæma tilraunina skal hrista kröftuglega. Fullur blár litur myndast á nokkrum sekúndum. Setjið flöskuna niður og mælið tímann þar til liturinn dofnar. Royal Society of Chemistry greinir frá meira en tuttugu hringrásum með hverri fyllingu. Fyllið aldrei flöskuna alveg upp að brún: án lokaðs loftrýmis er enginn súrefnisforði sem getur leyst upp í vökvanum.

Hvað á að athuga og hvað breytir tímasetningunni

Mælið þrjú atriði: hristingu þar til fullum bláum lit er náð (seconds), bið þar til lausnin verður litlaus (allt að nokkrum minutes) og fjölda hringrása áður en blái liturinn veikist. Undir lok hverrar dofnunar skal fylgjast með yfirborðinu. Þunnt blátt lag situr oft eftir við mörk lofts og vökva þar sem súrefni heldur áfram að flæða inn með sveimi. Þessi lína gerir sveim sýnilegt.

Bláflöskuhvarfið fylgir reynsluhraðalögmálinu sem greint er frá með aðferð Royal Society of Chemistry: rate = k[MB oxidised][glucose]OH-. Hver liður getur orðið að tilraun í kennslustofunni. Meiri glúkósi, basi eða litarefni styttir bláa tímabilið. Hiti flýtir dofnuninni; köld flaska verður treg. Kröftugri hristing leysir upp meira súrefni og því endist blái liturinn lengur. Stærra loftrými lengir ferlið. Þegar hringrásirnar veikjast að lokum og vökvinn gulnar er sykurinn uppurinn og hliðarafurðir hafa safnast upp. Sá endapunktur er sjálfur niðurstaða sem vert er að skrá.

Athugunarblað

Afritið þessa töflu í glósubækur, eina línu fyrir hverja tilraun. Þetta vinnublað ásamt hvarfskýringarmyndinni hér að ofan eru prentanlegu gögn þessarar greinar.

Spurningar um spá, svarað áður en hver tilraun hefst:

• Flaskan er blá strax eftir hristingu. Hvort form litarefnisins er ríkjandi og hvað kom því í það ástand?
• Flaskan stendur og liturinn dofnar. Hvaða hvarf hefur yfirhöndina og hvaða innihaldsefni eyðist?
• Eftir margar hringrásir verður blái liturinn daufur og gulleitur. Á að endurvekja hann með litarefni, basa eða glúkósa, og hvers vegna?
• Teiknið lit sem fall af tíma fyrir eina hringrás. Merkið hvar súrefni fer inn í lausnina.

Svör kennara: (1) oxað metýlenblátt, enduroxað af uppleystu súrefni úr loftrýminu; (2) afoxun með glúkósa, glúkósinn eyðist; (3) glúkósi, takmarkandi rafeindagjafinn, þar sem litarefnið fer óbreytt í gegnum hringrásina; (4) hröð hækkun við hristingu, hægfara lækkun í kyrrstöðu, súrefni fer aðeins inn á meðan hækkunin á sér stað.

Skyldar tilraunir sem vert er að nefna

Umferðarljósatilraunin notar indígókarmín í staðinn og fer í gegnum gult, rautt og grænt við súrefnismettun. Heitið græn flaska er notað lauslega: stundum um þá útgáfu, stundum um grænni efnasamsetningar eins og kerfi með askorbínsýru eða ensímknúið hringrásarkerfi sem American Chemical Society lýsir. Nefnið þá útgáfu sem raunverulega er á borðinu svo nemendur rugli ekki saman athugunum úr ólíkum efnakerfum.

Öryggi og meðhöndlun

Eftirlit allan tímann. Nota skal augnhlífar gegn efnaslettum og hanska við meðhöndlun basísku lausnarinnar eða hristingu tappaða ílátsins. Basi veldur efnabruna, litarefnið litar húð og efni og litarefnisstofnlausnir sem eru útbúnar í etanóli bæta eldfimum leysi við vinnuborðið. Hafið ílátið lokað með tappa meðan það er hrist. Að lokinni notkun skal halda notuðum lausnum til meðhöndlunar samkvæmt eigin rannsóknarstofureglum stofnunarinnar. Kröfur um basískan úrgang sem inniheldur litarefni eru mismunandi milli stofnana og lögsagna, þannig að fylgja skal þeirri aðferð sem rannsóknarstofan ykkar notar fremur en að taka upp aðferð frá öðrum aðila.

Ef tölulegar mælingar fremur en litabreytingar eru markmiðið taka magngreiningaraðferðir fyrir metýlenblátt við þar sem þessari sýnikennslu lýkur.

Hvers vegna kennarar halda áfram að nota þessa flösku

Ein flaska þjappar saman fjórum hugmyndum. Oxunar-afoxun verður að lit í stað skilgreiningar. Miðlari sýnir hvernig örmagn eins efnis getur gefið upplýsingar um mikið magn annars. Hvarfhraðafræði aðskilst sýnilega frá varmafræði: súrefni hefur yfirhöndina meðan hristing sér því fyrir framboði, glúkósi hefur yfirhöndina þegar framboðið stöðvast. Og sveim, hljóðlátasta ferlið í efnafræðinni, knýr alla sýninguna, því hvert blátt leiftur hefst þegar súrefni fer úr lofti yfir í vatn. Sýnikennsla sem gerir nemendum kleift að spá, tímasetja og útskýra allt þetta með skeiðklukku og töflu hefur unnið sér sinn stað á rannsóknarstofuborðinu.