Көк бөтелке тәжірибесі: химиясы, орындалу тәртібі және бақылаулар

Үстел үстінде мөлдір бөтелке тұр. Ішіндегісі суға ұқсайды. Біреу оны шайқағанда, сұйықтық қанық көк түске боялады. Бөтелкені қойып қойса, көк түс бір-екі минут ішінде жоғалады. Қайта шайқаса, көк түс қайта оралады. Бір рет дайындалған ерітіндімен мұны жиырма немесе одан да көп рет қайталауға болады.

Оқушылар әдетте бөтелкенің ішінде бір нәрсе жасырылған деп немесе шайқау екі қабатты араластырды деп болжайды. Екі болжам да пайдалы түрде қате болып шығады. Түс бүкіл ерітіндіде болатын жалғыз бояғыштан, метилен көгінен, пайда болады. Өзгеретіні — бояғыштың қанша электрон тасымалдайтыны. Бұл көрсетілім көзге көрінетін тотығу-тотықсыздану циклі, ал сынып бақылай алатын әрбір айнымалы — шайқау уақыты, температура, концентрация — химиядағы белгілі бір мүшеге сәйкес келеді.

Бір бояғыштың екі түрі

Тотыққан метилен көгі — жазық, оң зарядталған сақиналы жүйе. Ол 600-ден 700 нанометрге дейінгі аралықта жарықты күшті жұтады, сондықтан көз оны қою көк түс ретінде қабылдайды. Екі түрі мен олардың спектрлері метилен көгінің құрылысы мен қасиеттері туралы нұсқаулықта қарастырылған.

Тотықсыздану екі электрон мен бір протон қосып, лейкометилен көгін түзеді: зарядсыз, жазық емес және іс жүзінде түссіз. Сілтілі ерітіндіде жартылай реакция былай жазылады: MB+ + H2O + 2 e- ⇌ LMB + OH-. Бұл қадам толық қайтымды. Көк түс — тотыққан күйді, түссіздік — тотықсызданған күйді білдіреді, ал бақылауды қажет ететін үшінші күй жоқ. Сондықтан бұл тотығу-тотықсыздану химиясымен алғашқы танысуға өте қолайлы мысал.

Цикл: глюкоза тотықсыздандырады, оттегі қайта тотықтырады

Бөтелкеде үш негізгі компонент бар: метилен көгі, глюкоза және күшті сілті — калий немесе натрий гидроксиді. Сілті глюкозаның бояғышқа электрон беретін реакцияға қабілетті депротондалған түрлерінің түзілуіне ықпал етеді:

тотықсыздандырғыш қант + MB (көк, тотыққан) -> тотыққан қант өнімдері + LMB (түссіз)

Осы баяу қадам бөтелке тыныш тұрғанда түстің жоғалуына әкеледі. Глюкоза құрбандық электрон доноры ретінде жұмсалады. Бояғыш тек электрондарды тасымалдайды, сондықтан бірнеше тамшы тұтас бөтелкеге жеткілікті. Ескі оқу материалдарында глюкоза глюкон қышқылына айналады деп айтылады. Бұл қысқаша түсіндірме бақылауларды болжауға жеткілікті, бірақ оқытушылар оның толық емес екенін білуі керек: Royal Society Open Science журналында жарияланған механизмдік талдау тотығудың реакцияға қабілетті ендиолат арқылы жүріп, кейін ұсақ қышқылдарға ыдырайтын дикарбонилге дейін жалғасатынын көрсетеді.

Шайқау көзге көрінетін нәтижені кері өзгертеді. Араластыру үстіңгі бос кеңістіктегі ауадан оттегінің еруіне мүмкіндік береді, ал оттегі тотықсызданған бояғышты қайта тотықтырады:

LMB (түссіз) + O2 -> MB (көк) + тотықсызданған оттегі өнімдері

Бөтелке тыныш тұрғанда еріген оттегі таусылады, глюкоза бояғышты қайта тотықсыздандырады да, түс біртіндеп жоғалады. Көп цикл өткенде жалпы химиялық нәтиже — қанттың ауадағы оттегімен тотығуы, ал бояғыш тотығу-тотықсыздану медиаторы ретінде өзгеріссіз айналым жасайды. Оны қатаң мағынадағы катализатордан гөрі медиатор деу дұрыс, өйткені қанттың тотығуы онсыз да жүреді; ал түстің жоғалуы ыдырау емес, себебі бұзылған бояғышты шайқау арқылы қайта қалпына келтіру мүмкін болмас еді. Көрсетілімдер арасында бояғыш қор ерітінділерін тұрақты сақтау үшін метилен көгі ерітінділерін қолдану және сақтау жөніндегі ескертпелерді қараңыз.

Бақылаумен өткізілетін көрсетілім тәртібі

Бұл тұрмыстық тәжірибе емес, бақылаумен өткізілетін көрсетілім. Сілтімен жұмыс істегенде көзді қорғау, қолғап кию және ерітіндіні дайындау мен кейінгі тазалауға жауапты нұсқаушы қажет. Құжатталған екі әдістеменің құрылымы бірдей, тек масштабы өзгеше.

Indiana University химия кафедрасы жариялаған көрсетілімнің нұсқаулығында шамамен 5 пайыз калий гидроксиді, 4 пайыз глюкоза және 1 пайыз сулы метилен көгі қолданылады. Мөлдір 250 немесе 500 миллилитрлік бөтелкеге сілті мен глюкоза ерітінділерін тең көлемде құйып, оны жартысына дейін толтырыңыз да, қалған бөлігін ауа кеңістігі ретінде қалдырыңыз. Бояғыштың бірнеше тамшысын қосып, қақпағын жауып, түйіскен жерін бекітіңіз және көк түс жоғалғанша тыныш қалдырыңыз. Royal Society of Chemistry процедурасы осы тәсілді тығыны бар 1 литрлік колбаға бейімдейді: 300 миллилитр су, 10 грамм глюкоза, 8 грамм калий гидроксиді (немесе 6 грамм натрий гидроксиді), оған қоса сұйылтылған бояғыш қор ерітіндісінің бірнеше миллилитрі.

Орындау үшін колбаны қатты шайқаңыз. Толық көк түс бірнеше секунд ішінде пайда болады. Колбаны қойып, түстің жоғалу уақытын өлшеңіз. Royal Society of Chemistry бір толтырумен жиырмадан астам цикл жасауға болатынын хабарлайды. Бөтелкені ешқашан ернеуіне дейін толтырмаңыз: ішінде ауа қалмаса, еритін оттегі қоры болмайды.

Нені бақылау керек және уақытқа не әсер етеді

Үш нәрсенің уақытын өлшеңіз: толық көк түске жеткенше шайқау (секунд), түссіз күйге жеткенше тыныш тұру (бірнеше минутқа дейін) және көк түс әлсірегенге дейінгі цикл саны. Әрбір түссізденудің соңына қарай сұйықтықтың бетіне қараңыз. Ауамен жанасатын шекарада оттегі үздіксіз диффузияланатындықтан, жұқа көк қабат жиі біраз уақыт сақталады. Бұл — көзге көрінетін диффузия.

Көк бөтелке реакциясы Royal Society of Chemistry процедурасымен бірге берілген эмпирикалық жылдамдық заңына бағынады: rate = k[MB oxidised][glucose]OH-. Әрбір мүше сыныпта жеке тәжірибе жасауға мүмкіндік береді. Глюкоза, сілті немесе бояғыш көбірек болса, көк күйдің ұзақтығы қысқарады. Жылу түстің жоғалуын жылдамдатады; салқын колбада реакция баяулайды. Қаттырақ шайқау көбірек оттегіні ерітеді, сондықтан көк түс ұзағырақ сақталады. Үстіңгі ауа кеңістігі үлкен болса, тәжірибе ұзағырақ жүреді. Циклдер ақырында әлсіреп, сұйықтық сарғайғанда, қант таусылып, жанама өнімдер жиналған болады. Бұл соңғы нүктенің өзі жазып алуға тұрарлық нәтиже.

Бақылау жұмыс парағы

Бұл кестені дәптерге көшіріңіз, әр сынаққа бір жолдан арнаңыз. Осы жұмыс парағы мен жоғарыдағы реакция диаграммасы — осы мақалаға арналған басып шығарылатын материалдар.

Әр сынақтың алдында жауап берілетін болжау сұрақтары:

• Бөтелке шайқалғаннан кейін бірден көк болады. Бояғыштың қай түрі басым және оны сол күйге не әкелді?
• Бөтелке тыныш тұрып, түсі жоғалады. Қай реакция басым болып жатыр және қай ингредиент жұмсалады?
• Көп циклден кейін көк түс солғын әрі сарғыш болады. Оны бояғышпен, сілтімен немесе глюкозамен қайта қалпына келтіру керек пе және неге?
• Бір цикл үшін түстің уақытқа тәуелділігін сызыңыз. Оттегі ерітіндіге қай жерде кіретінін белгілеңіз. Нұсқаушыға арналған жауаптар: (1) тотыққан метилен көгі, үстіңгі ауа кеңістігінен еріген оттегі арқылы қайта тотыққан; (2) глюкоза арқылы тотықсыздану, глюкоза жұмсалады; (3) глюкоза, шектеуші донор, өйткені бояғыш өзгеріссіз цикл жасайды; (4) шайқағанда күрт көтерілу, тыныш тұрғанда біртіндеп төмендеу, оттегі тек көтерілу кезінде енеді.

Атауға тұрарлық жақын нұсқалар

Бағдаршам көрсетілімінде индигокармин қолданылады және оттектендіру кезінде түс сарыдан қызылға, одан жасылға ауысады. Жасыл бөтелке атауы нақты емес мағынада қолданылады: кейде осы нұсқаға, кейде аскорбин қышқылына негізделген жүйелер сияқты жасылырақ құрамдарға немесе American Chemical Society сипаттаған ферменттік циклдік жүйеге қатысты айтылады. Оқушылар әртүрлі химиялық жүйелерден алынған бақылауларды араластырмауы үшін үстелде нақты қай нұсқа тұрғанын атаңыз.

Қауіпсіздік және қолдану

Бүкіл жұмыс бойы бақылау қажет. Сілтілі ерітіндімен жұмыс істегенде немесе тығындалған ыдысты шайқағанда химиялық шашыраудан қорғайтын көзілдірік пен қолғап киіңіз. Сілті күйік тудырады, бояғыш тері мен матаны бояйды, ал этанолда дайындалған бояғыш қор ерітінділері жұмыс үстеліне жанғыш еріткіш қосады. Шайқау кезінде ыдысты тығындалған күйде ұстаңыз. Соңында пайдаланылған ерітінділерді мекемеңіздің зертханалық ережелеріне сәйкес өңдеу үшін сақтап қойыңыз. Құрамында сілті мен бояғыш бар қалдықтарға қойылатын талаптар мекемелер мен юрисдикциялар арасында өзгереді, сондықтан басқа дереккөзден алынған тәртіпті көшірмей, өз зертханаңызда бекітілген процедураны орындаңыз.

Егер түс өзгерісінен гөрі сандық деректер қажет болса, метилен көгін сандық анықтау әдістері осы көрсетілім аяқталған жерден жалғасады.

Мұғалімдердің бұл бөтелкені қолдана беруінің себебі

Бір колба төрт идеяны бір жерге жинақтайды. Тотығу-тотықсыздану анықтама емес, көзге көрінетін түске айналады. Медиатор аз мөлшердегі бір заттың екінші заттың үлкен көлеміндегі өзгерісті қалай көрсететінін танытады. Кинетика мен термодинамиканың айырмасы көзге көрінеді: шайқау оттегі жеткізіп тұрғанда оттегі басым болады, ал жеткізу тоқтағанда глюкоза басым болады. Ал химиядағы ең тыныш үдерістердің бірі — диффузия — бүкіл көріністі іске қосады, өйткені әрбір көк жарқыл ауадан суға өткен оттегіден басталады. Оқушыларға осының бәрін секундомер мен кесте арқылы болжауға, уақытын өлшеуге және түсіндіруге мүмкіндік беретін көрсетілім зертхана үстелінен өз орнын алуға лайық.