Sveim metýlenblás og permanganats: hvað agartilraunin sýnir

Kennari sker tvo brunna í agarplötu, fyllir annan með bláu litarefni og hinn með fjólublárri lausn og biður bekkinn að fylgjast með. Klukkustund síðar er fjólublái hringurinn breiðari. Nemendurnir skrifa niður að kalíumpermanganat sveimi hraðar en metýlenblátt vegna þess að það sé léttara.

Þessi setning er að hálfu leyti rétt og að hálfu leyti villandi, og villandi hlutinn er sá áhugaverði. Tilraunin er hefðbundin kennslutilraun um sveim, sem er til dæmis lýst í þessu verkefni um sveim í agar, en það sem nemendur sjá er ekki sameindamassi að verki. Þeir sjá sýnilegan litjaðar færast í gegnum gel. Hreyfingin mótast af stærð jóna, vötnun, bindingu litarefna, styrk, hitastigi og því hvernig jaðarinn er mældur.

Litjaðarinn er ekki sveimstuðullinn

Sveim er útbreiðsla uppleystra agna frá svæði með háan styrk til svæðis með lágan styrk. Sveimstuðullinn, yfirleitt táknaður með D, lýsir því hversu hratt þessi útbreiðsla á sér stað fyrir tiltekið uppleyst efni í tilteknum miðli við tiltekið hitastig.

Agarplata í kennslustofu sýnir D ekki beint. Hún sýnir mörk þar sem liturinn verður of daufur til að sjást. Þau mörk ráðast af ljósgleypni litarefnisins, lýsingu, lýsingu myndavélarinnar, styrknum sem settur er í brunninn og mati þess sem heldur á reglustikunni, auk sveimsins sjálfs.

Köllum mælinguna í kennslustofunni það sem hún er: hreyfingu sýnilegs sveimjaðars. Fræðileg umfjöllun tengir meðaltal færslu í öðru veldi við D með samböndum á borð við þau sem koma fram í greiningu á sveimi samkvæmt lögmáli Ficks, en til að ákvarða D með aðhvarfsgreiningu þarf styrkdreifingu yfir tíma, ekki eina þvermálsmælingu í lok kennslustundar. Í einni birtri kennslurannsókn var sveimstuðull metýlenblás í geli ákvarðaður nálægt 4.5 sinnum 10^-10 m^2/s með því að teikna fjarlægð í öðru veldi sem fall af tíma, í stað þess að bera saman lokastærð litbletta. Ein stök mynd getur ekki skilað þeirri niðurstöðu.

Þetta er hugmyndin að baki tilrauninni, og allt annað snýst um hversu vel platan endurspeglar hana.

Tvær litaðar jónir, ekki tvær sameindir

Hvorugt uppleysta efnið ferðast í gegnum agar í því formi sem efnaformúlan á flöskunni sýnir. Bæði eru sterkir rafvakar sem klofna í jónir í vatni.

Kalíumpermanganat (KMnO4, formúlumassi um 158.03 g/mol) klofnar í kalíumjónir og permanganatjónir. Fjólubláa ögnin sem ferðast er permanganatjónin MnO4^-, með massa um 118.94 g/mol, umlukin vatnshjúp. Metýlenbláklóríð (vatnsfrítt salt C16H18ClN3S, um 319.85 g/mol) klofnar í klóríð og bláu lífrænu katjónina MB^+, með massa um 284.41 g/mol, einnig umlukta vatni. NIST-færslan um metýlenblátt og ChEBI-færslan um metýlenblátt lýsa þessum formum, og heimildin um efnafræði og byggingu útskýrir hvers vegna katjónin, vatnsfría saltið og hýdrötin þurfa hvert sitt heiti.

Af þessu leiða þrjú atriði.

Í fyrsta lagi gerir samanburður á 158 og 320 minna úr raunverulegum stærðarmun lituðu jónanna, því fjólubláa jónin, um 119 g/mol, er mun minni en bláa katjónin, um 284 g/mol. Báðar bera auk þess vatnshjúp sem eykur virka stærð þeirra.

Í öðru lagi loða metýlenblákatjónir við yfirborð. Þær mynda tvíliður og stærri þyrpingar eftir því sem styrkur eykst og ásogast á agar. Greint hefur verið frá bindingu bæði einliða og tvíliða í rannsóknum á ásogi á agar. Ásogað litarefni situr kyrrt. Það litar gelið án þess að færa jaðarinn áfram.

Í þriðja lagi er algenga efnaduftið hýdrat, þannig að í hverju vigtuðu grammi er vatn í kristalnum. Samanburðurinn á þríhýdrati og vatnsfríu formi sýnir hvernig það breytir mólstyrknum. Til að samanburður í kennslustofu sé sanngjarn skal útbúa lausnir með jöfnum mólstyrk saltanna og skrá hvaða fasta form var notað.

Hvers vegna léttara þýðir ekki hraðara hér

Í þynntum lausnum er Stokes–Einstein-líkanið betri fyrstu nálgun en massi. Samkvæmt því er sveimstuðull í hlutfalli við hitastig deilt með margfeldi seigju og straumfræðilegs radíuss. Minni stærð með vatnshjúp skilar hraðara sveimi. Innan sama efnaflokks fylgist lægri massi oft að við minni stærð, svo léttleiki getur virst vera skýringin. Þetta er fylgni, ekki orsakaferlið.

Lögmál Grahams, sem segir að útstreymishraði lofttegunda um lítið op sé í hlutfalli við andhverfu kvaðratrótar mólmassans, stjórnar ekki þessari plötu. Leiðsla þess tilheyrir hreyfikenningu lofttegunda, sem er tekin saman í þessari umfjöllun OpenStax um útstreymi og sveim lofttegunda. Í vökvum bætast við seigjumótstaða, vötnun, áhrif lögunar og þrengsli milli agna. Í gelum bætast við holubygging, krókóttar flutningsleiðir, ásog og víxlverkanir rafhleðslna við fjölliðuna.

Tölurnar sýna muninn. Ef lögmáli Grahams er beitt á 158 og 320 fæst spáð hraðahlutfall um 1.42. Mældir sveimstuðlar í þynntum vatnslausnum segja aðra sögu: permanganat er nálægt 1.6 til 1.8 sinnum 10^-9 m^2/s en metýlenblátt nálægt 4.5 til 5 sinnum 10^-10 m^2/s, sem gefur hlutfall nær 3 eða 4. Massi einn getur ekki skýrt þetta hlutfall. Stærð með vatnshjúp, þyrpingamyndun og binding við gelið skýra það sem eftir stendur.

Lítið á regluna „léttara er hraðara“ sem líkan með forsendum: kúlulaga agnir, engin binding, engin þyrpingamyndun og sömu aðstæður. Að minnsta kosti tvær þessara forsenda standast ekki í plötunni.

Hvernig tryggja má sanngjarnan samanburð

Tilraunin bregst á sama hátt og hugbúnaður: grunnhugmyndin er traust, en leiðin frá hugmynd að mælingu er full af gildrum. Hvert eftirfarandi atriða getur breytt niðurstöðunni án þess að breyta nokkrum sameindaeiginleika.

Notið eina lögun af agar sem hellt er í jafna þykkt, sama brunnaskera, jafnt vökvamagn, jafnan mólstyrk og nægilega lágan styrk til að takmarka þyrpingamyndun metýlenblás og koma í veg fyrir litmettun. Skerið að minnsta kosti þrjá endurtekningarbrunna fyrir hvort uppleyst efni, með nægu bili til að jaðrarnir mætist aldrei. Hyljið skálarnar, hafið þær láréttar og haldið hitastigi stöðugu, því rannsóknir á litarefnum í agar sýna mikil áhrif hitastigs og styrks. Skilgreinið upphafstímann sem augnablikið þegar fyllt er í brunninn og skilgreinið jaðarinn áður en mælt er: fast þröskuldsgildi á ljósmynd er betra en sjónmat á mörkunum, því blár og fjólublár litur hafa ólík sýnileikamörk. Skráið tvö hornrétt þvermál fyrir hvern blett og reiknið meðalradíus, því ruglingur á radíus og þvermáli veldur fjórfaldri skekkju í grafi af fjarlægð í öðru veldi.

Merkingar: vinstri myndin sýnir radíus hvers jaðars mældan ofan frá, frá brunnjaðri að litjaðri; hægri myndin sýnir þversnið agarsins með dýpt brunnsins og litgeislabaugum þar sem styrkur minnkar út á við; skýringartextinn telur upp stýrðu breyturnar (agarhlutfall, þykkt, mólstyrk litarefnis, rúmmál, brunnstærð, hitastig, upphafstíma, lýsingu).

Gætið að því sem getur líkst sveimi. Vökvi sem hellist yfir yfirborð agarsins lítur út eins og hraður sveimur og er þekkt skekkjuvaldur í tilraunum með litla agarbrunna. Permanganat er sterkt oxunarefni og getur eyðst við hvarf við snefilmagn lífrænna efna, sem stöðvar eða aflitar jaðar þess. Metýlenblátt tekur þátt í oxunar- og afoxunarhvörfum og getur dofnað í ljósi eða við afoxandi aðstæður; umfjöllunin um oxunar- og afoxunarefnafræði metýlenblás og litlaust afoxað form þess útskýrir þá hegðun.

Stutt athugasemd um leysi: báðir brunnar í hefðbundnu tilrauninni innihalda vatnslausnir. Ef leiðbeiningar gera ráð fyrir öðrum leysi skal fyrst skoða leiðbeiningarnar um leysni og gerð lausna, því leysni og þyrpingamyndun breytast með miðlinum.

Skráningarblað fyrir athuganir í kennslustofu

Afritið þessa töflu í vinnubækur eða prentið eina röð fyrir hvern brunn. Ein tafla fyrir hverja skál tryggir að endurtekningunum sé haldið aðgreindum.

Við úrvinnslu skal teikna meðalradíus í öðru veldi sem fall af liðnum tíma fyrir hvern brunn og bera saman hallatölurnar. Takið fram við grafið hvernig jaðarinn var skilgreindur. Ef allir sex ferlarnir eru sýndir ásamt dreifingu þeirra sér bekkurinn breytileika sem gögn en ekki sem eitthvað vandræðalegt.

Öryggi er hluti af verklaginu: notið hanska og augnhlífar, því metýlenblátt litar húð og fatnað og permanganat er oxunarefni sem litar og ertir. Látið lausnir ekki berast í munn, vinnið yfir bakka og fargið plötum og vökva samkvæmt verklagi skólans um efnaúrgang, ekki í vaskinn.

Setningin sem er þess virði að skrifa niður

Við þessar aðstæður hvað varðar agar, styrk og hitastig breiðist sýnilegur jaðar permanganats yfirleitt hraðar út en jaðar metýlenblás. Það samræmist því að permanganat hafi hærri virkan sveimstuðul, að miklu leyti vegna þess að jón þess með vatnshjúp er mun minni og hún myndar hvorki þyrpingar né binst agar á sama hátt og metýlenblátt. Sameindamassi fylgist hér að við þennan stærðarmun, en massi einn ákvarðar ekki sveimhraða í vökvum eða gelum.

Bekkur sem skrifar þessa setningu hefur lært tvennt: staðreynd um tvær litríkar jónir og þá venju að spyrja hvað tilraun mælir áður en treyst er því sem hún virðist segja.