ლურჯი ბოთლის ექსპერიმენტი: ქიმია, პროცედურა და დაკვირვებები

გამჭვირვალე ბოთლი ლაბორატორიულ მაგიდაზე დგას. გარეგნულად წყალს ჰგავს. ვიღაც შეანჯღრევს და სითხე მკვეთრად ლურჯდება. დადების შემდეგ ლურჯი ფერი ერთ-ორ წუთში ქრება. ხელახლა შეანჯღრიეთ და ლურჯი კვლავ დაბრუნდება. ერთი შევსებით ეს შეიძლება ოცჯერ ან მეტჯერ განმეორდეს.

მოსწავლეები ხშირად ვარაუდობენ, რომ ბოთლში რაღაც იყო დამალული ან შენჯღრევამ ორი ფენა ერთმანეთში აურია. ორივე ვარაუდის მცდარობა სასარგებლო გაკვეთილია. ფერს ერთი საღებავი, მეთილენის ლურჯი, ქმნის და ის მთელ სითხეშია განაწილებული. იცვლება საღებავის მიერ გადატანილი ელექტრონების რაოდენობა. დემონსტრაცია თვალსაჩინოდ გვიჩვენებს რედოქს-ციკლს, ხოლო ყველა ხილული ცვლადი — შენჯღრევის დრო, ტემპერატურა, კონცენტრაცია — ქიმიური პროცესის შესაბამის პარამეტრს უკავშირდება.

ერთი და იმავე საღებავის ორი ფორმა

დაჟანგული მეთილენის ლურჯი ბრტყელი, დადებითად დამუხტული რგოლოვანი სისტემაა. ის ძლიერ შთანთქავს დაახლოებით 600-დან 700 nanometres-მდე დიაპაზონში, რასაც თვალი მუქ ლურჯ ფერად აღიქვამს. ორივე ფორმა და მათი სპექტრები განხილულია მეთილენის ლურჯის სტრუქტურისა და თვისებების სახელმძღვანელოში.

აღდგენისას ემატება ორი ელექტრონი და პროტონი, რის შედეგადაც მიიღება ლეიკომეთილენის ლურჯი: დაუმუხტავი, არაბრტყელი და პრაქტიკულად უფერული. ტუტე ხსნარში ნახევარრეაქცია ასე იწერება MB+ + H2O + 2 e- ⇌ LMB + OH-. ეს ეტაპი სრულად შექცევადია. ლურჯი ნიშნავს დაჟანგულ ფორმას, უფერული — აღდგენილს, და დასაკვირვებლად მესამე მდგომარეობა არ არსებობს, რის გამოც ეს რედოქს-ქიმიასთან პირველი გაცნობისთვის განსაკუთრებით მკაფიო მაგალითია.

ციკლი: გლუკოზა აღადგენს, ჟანგბადი ხელახლა ჟანგავს

ბოთლში სამი მოქმედი ინგრედიენტია: მეთილენის ლურჯი, გლუკოზა და ძლიერი ტუტე — კალიუმის ან ნატრიუმის ჰიდროქსიდი. ტუტე ხელს უწყობს გლუკოზის რეაქტიულ, დეპროტონირებულ ფორმებში გადასვლას, რომლებიც საღებავს ელექტრონებს გადასცემენ:

აღმდგენი შაქარი + MB (ლურჯი, დაჟანგული) -> დაჟანგული შაქრის პროდუქტები + LMB (უფერული)

ეს ნელი ეტაპი ბოთლის უძრავად დგომისას ფერს აქრობს. გლუკოზა მსხვერპლობითი დონორია და პროცესში იხარჯება. საღებავი მხოლოდ ელექტრონების გადამტანია, ამიტომ რამდენიმე წვეთი მთელი ბოთლისთვის საკმარისია. ძველ საკლასო აღწერებში ნათქვამია, რომ გლუკოზა გლუკონის მჟავად გარდაიქმნება. ასეთი გამარტივება დაკვირვებებს წინასწარ სწორად აღწერს, თუმცა მასწავლებლებმა უნდა იცოდნენ, რომ სურათი არასრულია: Royal Society Open Science-ში გამოქვეყნებული მექანისტური ანალიზი აჩვენებს, რომ დაჟანგვა რეაქტიული ენედიოლატის გავლით მიმდინარეობს და წარმოიქმნება დიკარბონილური ნაერთი, რომელიც შემდეგ უფრო მცირე მჟავებად იშლება.

შენჯღრევა ხილულ შედეგს აბრუნებს. აგიტაცია ბოთლის ზედა, ჰაერით სავსე სივრციდან ჟანგბადს ხსნარში ხსნის, ხოლო ჟანგბადი აღდგენილ საღებავს ხელახლა ჟანგავს:

LMB (უფერული) + O2 -> MB (ლურჯი) + აღდგენილი ჟანგბადის პროდუქტები

უძრავად დატოვებისას გახსნილი ჟანგბადი იწურება, გლუკოზა საღებავს კვლავ აღადგენს და ფერი ქრება. მრავალი ციკლის განმავლობაში ჯამური ქიმიური პროცესი ჰაერით შაქრის დაჟანგვაა, ხოლო საღებავი უცვლელად ციკლირებს, როგორც რედოქს-მედიატორი. ის მედიატორია და არა მკაცრი გაგებით კატალიზატორი, რადგან შაქრის დაჟანგვა მის გარეშეც მიმდინარეობს; ფერის გაქრობა კი დაშლა არ არის — განადგურებული საღებავი შენჯღრევით ვეღარ აღდგებოდა. დემონსტრაციებს შორის საღებავის მარაგის სტაბილურად შესანახად იხილეთ მეთილენის ლურჯის ხსნარების მოპყრობისა და შენახვის შენიშვნები.

ზედამხედველობითი დემონსტრაციის პროცედურა

ეს არის ზედამხედველობით ჩასატარებელი დემონსტრაცია და არა საყოფაცხოვრებო აქტივობა. ტუტესთან მუშაობა მოითხოვს თვალების დაცვას, ხელთათმანებს და ინსტრუქტორს, რომელიც პასუხისმგებელია მომზადებასა და დასუფთავებაზე. ორი დოკუმენტირებული რეცეპტურა სტრუქტურულად ერთნაირია და მხოლოდ მასშტაბით განსხვავდება.

Indiana University-ის ქიმიის დეპარტამენტის მიერ გამოქვეყნებული დემონსტრაციის ინსტრუქციაში გამოიყენება დაახლოებით 5 percent კალიუმის ჰიდროქსიდი, 4 percent გლუკოზა და 1 percent წყალხსნარი მეთილენის ლურჯი. გამჭვირვალე 250 ან 500 millilitre ბოთლში ჩაასხით ტუტისა და გლუკოზის ხსნარების თანაბარი მოცულობები ისე, რომ ბოთლი ნახევრამდე შეივსოს, ხოლო დარჩენილი ნაწილი ჰაერის სივრცედ დარჩეს. დაამატეთ საღებავის რამდენიმე წვეთი, დაახურეთ თავსახური, დალუქეთ შეერთების ადგილი და გააჩერეთ, სანამ ლურჯი ფერი არ გაქრება. Royal Society of Chemistry-ის პროცედურა იგივე პრინციპს 1 litre საცობიან კოლბაზე მასშტაბირებს: 300 millilitres წყალი, 10 grams გლუკოზა, 8 grams კალიუმის ჰიდროქსიდი (ან 6 grams ნატრიუმის ჰიდროქსიდი), დამატებული რამდენიმე millilitres განზავებული საღებავის მარაგ-ხსნარი.

ჩატარებისას კოლბა ენერგიულად შეანჯღრიეთ. სრული ლურჯი ფერი რამდენიმე წამში ვითარდება. დადეთ კოლბა და გაზომეთ ფერის გაქრობის დრო. Royal Society of Chemistry ერთ შევსებაზე ოცზე მეტ ციკლს აღწერს. ბოთლი არასოდეს გაავსოთ ბოლომდე: ჩაკეტილი ჰაერის გარეშე გასახსნელი ჟანგბადის მარაგი არ დარჩება.

რას დავაკვირდეთ და რა ცვლის დროს

გაზომეთ სამი რამ: სრულ ლურჯ ფერამდე მისასვლელი შენჯღრევის დრო (seconds), უძრავად დგომიდან გაუფერულებამდე დრო (რამდენიმე წუთამდე) და ციკლების რაოდენობა, სანამ ლურჯი ფერი შესუსტდება. ყოველი გაუფერულების ბოლოს დააკვირდით ზედაპირს. ჰაერთან საზღვარზე ხშირად რჩება თხელი ლურჯი ფენა, სადაც ჟანგბადი კვლავ დიფუნდირებს. ეს ხილული დიფუზიაა.

ლურჯი ბოთლის რეაქცია ემორჩილება Royal Society of Chemistry-ის პროცედურასთან ერთად გამოქვეყნებულ ემპირიულ სიჩქარის კანონს: rate = k[MB oxidised][glucose]OH-. თითოეული წევრი შეიძლება ცალკე საკლასო ექსპერიმენტის საფუძველი გახდეს. მეტი გლუკოზა, ტუტე ან საღებავი ლურჯ პერიოდს ამოკლებს. გათბობა ფერის გაქრობას აჩქარებს; ცივი კოლბა ნელა რეაგირებს. უფრო ძლიერი შენჯღრევა მეტ ჟანგბადს ხსნის, ამიტომ ლურჯი ფერი უფრო დიდხანს ნარჩუნდება. უფრო დიდი ჰაერის სივრცე ექსპერიმენტის ხანგრძლივობას ზრდის. როდესაც ციკლები საბოლოოდ სუსტდება და სითხე ყვითლდება, შაქარი ამოწურულია და გვერდითი პროდუქტები დაგროვილია. ეს საბოლოო წერტილიც მნიშვნელოვანი შედეგია და ჩაწერას იმსახურებს.

დაკვირვების სამუშაო ფურცელი

გადაიტანეთ ეს ცხრილი რვეულებში, თითო ცდისთვის თითო სტრიქონით. ეს სამუშაო ფურცელი და ზემოთ მოცემული რეაქციის დიაგრამა ამ სტატიის დასაბეჭდი მასალებია.

პროგნოზის კითხვები, რომლებსაც თითოეული ცდის წინ უნდა უპასუხოთ:

• ბოთლი შენჯღრევისთანავე ლურჯია. საღებავის რომელი ფორმა დომინირებს და რამ გადაიყვანა ის ამ მდგომარეობაში?
• ბოთლი უძრავად დგას და ფერს კარგავს. რომელი რეაქცია ჭარბობს და რომელი ინგრედიენტი იხარჯება?
• მრავალი ციკლის შემდეგ ლურჯი ფერი მკრთალდება და მოყვითალო ხდება. მის აღსადგენად დაამატებდით საღებავს, ტუტეს თუ გლუკოზას და რატომ?
• დახაზეთ ფერის ცვლილება დროში ერთი ციკლისთვის. მონიშნეთ, სად შედის ჟანგბადი ხსნარში. ინსტრუქტორის პასუხები: (1) დაჟანგული მეთილენის ლურჯი, რომელიც ზედა ჰაერის სივრციდან გახსნილმა ჟანგბადმა ხელახლა დაჟანგა; (2) გლუკოზით აღდგენა, გლუკოზა იხარჯება; (3) გლუკოზა, როგორც შემზღუდველი დონორი, რადგან საღებავი უცვლელად ციკლირებს; (4) მკვეთრი მატება შენჯღრევისას, თანდათანობითი კლება უძრავად დგომისას, ჟანგბადის შესვლა მხოლოდ მატების პერიოდში.

ახლო მონათესავე დემონსტრაციები, რომელთა სახელებიც ღირს იცოდეთ

შუქნიშნის დემონსტრაციაში გამოიყენება ინდიგოკარმინი და ჟანგბადით გაჯერებისას ფერები ყვითლიდან წითელზე და შემდეგ მწვანეზე გადადის. სახელწოდება „მწვანე ბოთლი“ არაერთგვაროვნად გამოიყენება: ზოგჯერ ამ ვარიანტისთვის, ზოგჯერ კი უფრო მწვანე შეფერილობის სისტემებისთვის, როგორიცაა ასკორბინის მჟავაზე დაფუძნებული ფორმულაციები ან American Chemical Society-ის მიერ აღწერილი ფერმენტული ციკლირების სისტემა. დაასახელეთ ზუსტად ის ვარიანტი, რომელიც მაგიდაზეა, რათა მოსწავლეებმა სხვადასხვა ქიმიური სისტემის დაკვირვებები ერთმანეთში არ აურიონ.

უსაფრთხოება და მოპყრობა

ზედამხედველობა საჭიროა მთელი პროცესის განმავლობაში. ტუტე ხსნართან მუშაობისას ან საცობიანი ჭურჭლის შენჯღრევისას გამოიყენეთ ქიმიური შხეფებისგან დამცავი სათვალე და ხელთათმანები. ტუტემ შეიძლება დამწვრობა გამოიწვიოს, საღებავი კანსა და ქსოვილს ლაქავს, ხოლო ეთანოლში მომზადებული საღებავის მარაგ-ხსნარები სამუშაო მაგიდაზე აალებად გამხსნელს ამატებს. შენჯღრევისას ჭურჭელი დახურული უნდა იყოს. დასრულების შემდეგ გამოყენებული ხსნარები შეინახეთ თქვენი დაწესებულების ლაბორატორიული წესების შესაბამისად დასამუშავებლად. ტუტე და საღებავის შემცველი ნარჩენების მოთხოვნები დაწესებულებებსა და იურისდიქციებს შორის განსხვავდება, ამიტომ დაიცავით თქვენი ლაბორატორიის საკუთარი პროცედურა და ნუ გადაიტანთ სხვა წყაროდან აღებულ წესს.

თუ ფერის ცვლილებების ნაცვლად რიცხვითი მონაცემები გჭირდებათ, მეთილენის ლურჯის რაოდენობრივი ანალიზის მეთოდები ამ დემონსტრაციის დასრულების წერტილიდან იწყება.

რატომ ინარჩუნებენ მასწავლებლები ამ ბოთლს

ერთი კოლბა ოთხ იდეას აერთიანებს. რედოქსი განმარტების ნაცვლად ფერად იქცევა. მედიატორი აჩვენებს, როგორ შეუძლია ერთი ნივთიერების უმცირეს რაოდენობას მეორის დიდი რაოდენობის მდგომარეობის ჩვენება. კინეტიკა თერმოდინამიკისგან თვალსაჩინოდ გამოიყოფა: ჟანგბადი დომინირებს, სანამ შენჯღრევა მას ამარაგებს, ხოლო გლუკოზა — როცა მიწოდება წყდება. და დიფუზია, ქიმიის ერთ-ერთი ყველაზე უხმაურო პროცესი, მთელი სანახაობის საფუძველია, რადგან ყოველი ლურჯი გაელვება იწყება ჟანგბადის ჰაერიდან წყალში გადასვლით. დემონსტრაცია, რომელიც მოსწავლეებს საშუალებას აძლევს ეს ყველაფერი წამზომისა და ცხრილის დახმარებით იწინასწარმეტყველონ, გაზომონ და ახსნან, ლაბორატორიულ მაგიდაზე თავის ადგილს იმსახურებს.