Difusi biru metilena lan permanganat: apa sing dituduhake eksperimen agar

Sawijining guru nggawe rong sumuran ing piring agar, ngisi siji nganggo zat pewarna biru lan sijine nganggo larutan ungu, banjur ngandhani murid-murid supaya ngamati. Sakjam sabanjure, bunderan ungu luwih amba. Murid-murid nulis yen kalium permanganat ngalami difusi luwih cepet tinimbang biru metilena amarga luwih entheng.

Ukara iku separone bener lan separone mblusukake, lan bagean sing mblusukake iku sing narik kawigaten. Demonstrasi iki minangka piwulang difusi sing umum, kayata sing diterangake ing latihan laboratorium difusi agar iki, nanging sing dideleng murid dudu bobot molekul sing lagi makarya. Sing dideleng yaiku obahe pinggiran warna sing katon ngliwati gel, sing dipengaruhi ukuran ion, hidrasi, pangikatan zat pewarna, konsentrasi, suhu, lan cara ngukur pinggiran kasebut.

Pinggiran warna dudu koefisien difusi

Difusi yaiku panyebaran partikel sing larut saka konsentrasi dhuwur menyang konsentrasi kurang. Koefisien difusi, sing biasane ditulis D, nerangake sepira cepete panyebaran kasebut kanggo zat terlarut tartamtu ing medium tartamtu lan ing suhu tartamtu.

Piring agar ing kelas ora nuduhake D kanthi langsung. Piring kasebut nuduhake wates ing ngendi warna dadi surem banget nganti ora katon maneh. Wates kasebut gumantung marang daya panyerepan cahya zat pewarna, pencahayaan, eksposur kamera, konsentrasi sing dilebokake ing sumuran, lan pambijine wong sing nyekel penggaris, uga marang difusi dhewe.

Sebutna asil pangukuran ing kelas miturut apa sing pancen diukur: obahe wates ngarep difusi sing katon. Panjlentrehan formal nggandhengake rata-rata kuadrat pamindhahan karo D liwat sesambungan kaya sing ditemokake ing analisis difusi Fick, nanging kanggo nemtokake D kanthi pas dibutuhake profil konsentrasi saka wektu menyang wektu, dudu mung siji diameter ing pungkasan pelajaran. Sawijining panaliten kelas sing wis diterbitake nemtokake difusivitas biru metilena ing gel watara 4.5 kaping 10^-10 m^2/s kanthi nggawe grafik jarak kuadrat marang wektu, tinimbang mbandhingake ukuran bercak pungkasan. Siji potret ing sawijining wektu ora bisa nindakake pakaryan kasebut.

Iki konsep sing dadi dhasar demonstrasi, lan kabeh liyane minangka rincian babagan sepira trepe piring agar nggambarake konsep kasebut.

Rong ion warna, dudu rong molekul

Ora ana siji wae saka rong zat terlarut kasebut sing lumaku ngliwati agar kanthi wujud rumus sing kacithak ing botol. Loro-lorone minangka elektrolit kuwat sing misah dadi ion ing banyu.

Kalium permanganat (KMnO4, massa rumus watara 158.03 g/mol) misah dadi ion kalium lan ion permanganat. Sing lumaku lan menehi warna ungu yaiku ion permanganat MnO4^-, kanthi massa watara 118.94 g/mol, sing diubengi lapisan banyu. Biru metilena klorida (uyah anhidrat C16H18ClN3S, watara 319.85 g/mol) misah dadi klorida lan kation organik biru MB^+, kanthi massa watara 284.41 g/mol, sing uga ngalami hidrasi. Cathetan biru metilena NIST lan entri biru metilena ChEBI nyathet wujud-wujud iki, lan rujukan kimia lan struktur nerangake kenapa kation, uyah anhidrat, lan hidrat mbutuhake jeneng sing beda-beda.

Ana telung akibat saka bab kasebut.

Kaping pisan, mbandhingake 158 karo 320 nggambarake bedane ukuran ion warna luwih cilik tinimbang sing sejati, amarga spesies ungu kanthi massa watara 119 g/mol luwih cilik tinimbang kation biru kanthi massa watara 284 g/mol, lan loro-lorone nggawa lapisan hidrasi sing nambah ukuran efektif.

Kaping pindho, kation biru metilena nempel ing bahan liyane. Kation iki mbentuk dimer lan agregat sing luwih gedhe nalika konsentrasi mundhak, lan ngalami adsorpsi ing agar; pangikatan monomer lan dimer loro-lorone wis dilapurake ing panaliten adsorpsi agar. Zat pewarna sing kaadsorpsi tetep ana ing panggonane. Zat kasebut menehi warna marang gel tanpa mindhah wates ngarepe.

Kaping telu, bubuk reagen sing umum digunakake iku hidrat, mula saben gram sing ditimbang ngemot banyu ing kristale. Pambandhingan trihidrat karo anhidrat nuduhake carane bab kasebut ngowahi molaritas. Kanggo pambandhingan sing adil ing kelas, gawe larutan kanthi konsentrasi molar uyah sing padha lan cathet wujud padhet sing digunakake.

Kenapa luwih entheng ora ateges luwih cepet ing kene

Ing cairan encer, model wiwitan sing luwih becik tinimbang massa yaiku gambaran Stokes-Einstein, sing nggambarake difusivitas sebanding karo suhu dibagi viskositas lan radius hidrodinamik. Ukuran terhidrasi sing luwih cilik luwih unggul. Massa sing luwih cilik kerep ana gandhengane karo ukuran sing luwih cilik ing siji kulawarga kimia, mula sipat luwih entheng bisa katon kaya sawijining panjelasan. Nanging iku korelasi, dudu mekanisme.

Hukum Graham, sing nyatakake yen laju efusi gas sebanding karo kuwalikan akar kuadrat massa molar, ora ngatur kedadeyan ing piring iki. Penurunan hukume kalebu ing teori kinetik gas, sing diringkes ing panjlentrehan OpenStax babagan efusi lan difusi gas iki. Cairan nambah hambatan viskos, hidrasi, pengaruh wujud, lan seseke partikel. Gel nambah struktur pori, dalan sing mbulet, adsorpsi, lan interaksi muatan karo polimer.

Angka-angka kasebut nuduhake bedane. Hukum Graham sing ditrapake kanggo 158 dibandhingake karo 320 ngira rasio laju watara 1.42. Difusivitas sing diukur ing larutan banyu encer nuduhake bab sing beda: permanganat watara 1.6 nganti 1.8 kaping 10^-9 m^2/s, dene biru metilena watara 4.5 nganti 5 kaping 10^-10 m^2/s, kanthi rasio sing luwih cedhak karo 3 utawa 4. Massa wae ora bisa ngasilake rasio kasebut. Ukuran terhidrasi, agregasi, lan pangikatan ing gel njlentrehake bagean liyane.

Anggepen gagasan luwih entheng-luwih cepet minangka model kanthi asumsi: partikel awujud bunder, ora ana pangikatan, ora ana agregasi, lan kahanan sing padha. Piring iki ora nyukupi paling ora rong asumsi kasebut.

Carane nindakake pambandhingan sing adil

Demonstrasi iki bisa gagal kaya piranti lunak: gagasan dhasare bener, nanging proses saka gagasan menyang pangukuran kebak jebakan. Saben bab iki ngowahi asil tanpa ngowahi sipat molekul apa wae.

Gunakake agar saka siji adonan sing diwutahake kanthi kekandelan padha, siji piranti kanggo nggawe sumuran, volume cairan sing padha, konsentrasi molar sing padha, lan konsentrasi sing cukup kurang kanggo mbatesi agregasi biru metilena lan njaga supaya warna ora jenuh. Gawe paling ora telung sumuran ulangan kanggo saben zat terlarut, kanthi jarak supaya wates ngarepe ora tau ketemu. Tutup piring, jaga supaya tetep rata, lan tetepake suhu, amarga panaliten zat pewarna ing agar nuduhake gumantung sing kuwat marang suhu lan konsentrasi. Temtokake wektu nol minangka wektu nalika ngisi, lan temtokake pinggiran sadurunge ngukur: ambang fotografis sing tetep luwih becik tinimbang wates sing dikira-kira nganggo mripat, amarga biru lan ungu duwe wates deteksi visual sing beda. Cathet rong diameter sing jejeg siji lan sijine kanggo saben bercak lan etung dadi radius rata-rata, amarga kliru mbedakake radius karo diameter bakal ngrusak grafik jarak kuadrat kanthi faktor papat.

Tandha: panel kiwa nuduhake radius saka ndhuwur sing diukur saka pinggiran sumuran nganti pinggiran warna kanggo saben wates ngarep; panel tengen nuduhake irisan agar kanthi jerone sumuran lan halo gradien menyang njaba; legenda nyathet variabel sing dikontrol (persentase agar, kekandelan, molaritas zat pewarna, volume, ukuran sumuran, suhu, wektu nol, pencahayaan).

Waspadaa marang kedadeyan sing katon kaya difusi nanging dudu. Cairan sing tumpah ing lumahing agar katon kaya difusi cepet lan wis kacathet minangka artefak saka sumuran agar sing cilik. Permanganat minangka oksidator kuwat lan bisa entek amarga bereaksi karo bahan organik sing sithik banget, sing ndadekake wates ngarepe mandheg utawa ilang warnane. Biru metilena aktif ing reaksi redoks lan bisa luntur nalika kena cahya utawa ing kahanan reduktif; kimia redoks biru metilena lan wujud tereduksi sing tanpa warna nerangake prilaku kasebut.

Cathetan cekak babagan pelarut: sumuran loro ing demonstrasi standar nggunakake larutan banyu. Yen sawijining protokol ngganti pelarut, priksa dhisik pandhuan kelarutan lan nyiyapake larutan, amarga kelarutan lan agregasi owah miturut medium.

Lembar kerja pengamatan ing kelas

Salinen tabel iki menyang buku cathetan utawa cithak siji larik kanggo saben sumuran. Siji tabel kanggo saben piring njaga supaya data ulangan kacathet kanthi trep.

Kanggo analisis, gawe grafik kuadrat radius rata-rata marang wektu sing wis kliwat kanggo saben sumuran lan bandhingake kemiringane, kanthi nyatakake definisi pinggiran ing jejere grafik. Yen kabeh enem kurva dituduhake bebarengan karo variasine, murid-murid bakal ndeleng variasi minangka data, dudu bab sing ngisin-isini.

Kaslametan kalebu bagean saka protokol: nganggo sarung tangan lan pelindung mripat, amarga biru metilena menehi noda ing kulit lan sandhangan, lan permanganat minangka oksidator sing menehi noda lan nyebabake iritasi. Aja nganti larutan mlebu tutuk, nyambuta gawe ing sadhuwure nampan, lan buwang piring lan cairan liwat jalur limbah kimia sekolah, dudu menyang bak cuci.

Ukara sing pantes dicathet

Ing kahanan agar, konsentrasi, lan suhu iki, wates ngarep permanganat sing katon biasane nyebar luwih cepet tinimbang wates ngarep biru metilena. Bab kasebut selaras karo permanganat sing duwe difusivitas efektif luwih gedhe, utamane amarga ion terhidrasi luwih cilik lan ora mbentuk agregat utawa kaiket ing agar kaya biru metilena. Massa molekul ana gandhengane karo bedane ukuran kasebut ing kene, nanging massa wae ora nemtokake laju difusi ing cairan utawa gel.

Murid-murid sing nulis ukara kasebut wis sinau rong bab: fakta babagan rong ion warna, lan pakulinan takon apa sing diukur dening sawijining demonstrasi sadurunge percaya marang panjelasan sing katon dituduhake.