Метилен көгі мен перманганат диффузиясы: агардағы тәжірибе нені көрсетеді

Мұғалім агар пластинасында екі ойық жасап, біреуін көк бояғышпен, екіншісін күлгін ерітіндімен толтырады да, оқушыларға бақылауды тапсырады. Бір сағаттан кейін күлгін сақина кеңірек болады. Оқушылар калий перманганаты жеңілірек болғандықтан, метилен көгінен жылдам диффузияланады деп жазып алады.

Бұл сөйлемнің жартысы дұрыс, ал жартысы жаңылыстырады. Ең қызығы — сол жаңылыстыратын бөлігі. Бұл көрсетілім — диффузияны түсіндіруге арналған қалыпты сабақ тәжірибесі; ол, мысалы, осы агардағы диффузия жөніндегі зертханалық тапсырмада сипатталған. Бірақ оқушылар көріп тұрған құбылыс молекулалық массаның тікелей әсері емес. Олар гель арқылы көрінетін түс шекарасының жылжуын бақылайды; оған ион өлшемі, гидратация, бояғыштың байланысуы, концентрация, температура және шекараны өлшеу тәсілі әсер етеді.

Түс шекарасы диффузия коэффициенті емес

Диффузия — еріген бөлшектердің концентрациясы жоғары аймақтан концентрациясы төмен аймаққа таралуы. Әдетте D деп белгіленетін диффузия коэффициенті белгілі бір еріген заттың белгілі бір ортада, белгілі бір температурада қаншалықты жылдам таралатынын сипаттайды.

Сабақтағы пластина D мәнін тікелей көрсетпейді. Ол түс көзге көрінбейтіндей солғын болатын шекараны көрсетеді. Бұл шекара диффузияның өзіне ғана емес, бояғыштың жарықты жұту қабілетіне, жарықтандыруға, камера экспозициясына, ойыққа құйылған ерітіндінің концентрациясына және сызғыш ұстаған адамның бағалауына да тәуелді.

Сабақта өлшенетін шаманы өз атымен атаңыз: бұл — көрінетін диффузия шебінің жылжуы. Теориялық сипаттамаларда ығысудың орташа квадраты D шамасымен Фик диффузиясын талдауда келтірілген түрдегі қатынастар арқылы байланысады. Бірақ D мәнін анықтау үшін сабақ соңындағы жалғыз диаметр емес, уақыт бойынша концентрация профильдері қажет. Сабақ тәжірибесіне арналған жарияланған бір зерттеуде соңғы дақ өлшемдерін салыстырудың орнына қашықтық квадратының уақытқа тәуелділігін салып, гельдегі метилен көгінің диффузия коэффициентін шамамен 4.5 × 10^-10 m^2/s деп анықтаған. Бір ғана суреттен мұны анықтау мүмкін емес.

Көрсетілімнің негізгі идеясы — осы; қалғанының бәрі пластинаның сол идеяны қаншалықты дәл бейнелейтініне қатысты.

Екі молекула емес, екі түсті ион

Еріген заттардың ешқайсысы агар арқылы құтыда жазылған формула түрінде қозғалмайды. Екеуі де суда диссоциацияланатын күшті электролиттер.

Калий перманганаты (KMnO4, формулалық массасы шамамен 158.03 g/mol) калий иондары мен перманганат иондарына бөлінеді. Күлгін түсті тасымалдайтын бөлшек — су қабатымен қоршалған, массасы шамамен 118.94 g/mol болатын MnO4^- перманганат ионы. Метилен көгі хлориді (сусыз тұз C16H18ClN3S, шамамен 319.85 g/mol) хлоридке және массасы шамамен 284.41 g/mol болатын көк органикалық MB^+ катионына бөлінеді; ол да гидратталған. Бұл түрлер NIST метилен көгі жазбасында және ChEBI метилен көгі жазбасында құжатталған, ал химиясы мен құрылымы жөніндегі анықтамалық катионға, сусыз тұзға және гидраттарға неліктен бөлек атаулар қажет екенін түсіндіреді.

Бұдан үш қорытынды шығады.

Біріншіден, 158 бен 320 мәндерін салыстыру түсті иондар арасындағы нақты өлшем айырмасын кемітіп көрсетеді: шамамен 119 g/mol болатын күлгін бөлшек шамамен 284 g/mol болатын көк катионнан әлдеқайда кіші, әрі екеуінің де тиімді өлшемін ұлғайтатын гидратациялық қабаттары бар.

Екіншіден, метилен көгінің катиондары басқа заттарға жабысады. Концентрация артқан сайын олар димерлер мен ірілеу агрегаттар түзеді және агарға адсорбцияланады. Агардағы адсорбция зерттеулерінде мономердің де, димердің де байланысуы тіркелген. Адсорбцияланған бояғыш орнында қалады. Ол шепті алға жылжытпай-ақ гельді бояйды.

Үшіншіден, кең таралған реагент ұнтағы гидрат болғандықтан, өлшенген бір граммның құрамында кристалдық су бар. Тригидрат пен сусыз түрді салыстыру оның молярлық концентрацияны қалай өзгертетінін көрсетеді. Сабақта әділ салыстыру үшін тұздардың молярлық концентрациялары бірдей ерітінділерін дайындап, қандай қатты түрі қолданылғанын жазып қойыңыз.

Мұнда жеңілірек деген жылдамырақ деген сөз емес

Сұйылтылған сұйық ерітінділерде бастапқы модель ретінде массаға сүйенгеннен гөрі Стокс–Эйнштейн моделі қолайлырақ: онда диффузия коэффициенті температураға тура, ал тұтқырлық пен гидродинамикалық радиусқа кері пропорционал. Гидратталған өлшемі кішірек бөлшек жылдамырақ таралады. Бір химиялық топ ішінде төмен масса көбіне кіші өлшеммен байланысты болады, сондықтан жеңілдікті түсіндірме ретінде қабылдауға болады. Бірақ бұл — механизм емес, корреляция.

Газдың эффузия жылдамдығы молярлық массаның квадрат түбіріне кері пропорционал болатынын тұжырымдайтын Грэм заңы бұл пластинадағы құбылысты сипаттамайды. Оның қорытылуы газдардың кинетикалық теориясына жатады; ол осы OpenStax газдардың эффузиясы мен диффузиясы туралы материалында қысқаша берілген. Сұйықтарда тұтқырлық кедергісі, гидратация, пішін әсерлері және бөлшектердің тығыз орналасуы қосылады. Гельдерде бұларға кеуек құрылымы, жолдардың иректілігі, адсорбция және полимермен зарядтық әрекеттесу қосылады.

Сандар бұл алшақтықты айқын көрсетеді. Грэм заңын 158 және 320 мәндеріне қолдансақ, жылдамдықтар қатынасы шамамен 1.42 болады. Судағы сұйылтылған ерітінділерде өлшенген диффузия коэффициенттері басқа көрініс береді: перманганат үшін шамамен 1.6–1.8 × 10^-9 m^2/s, ал метилен көгі үшін шамамен 4.5–5 × 10^-10 m^2/s; олардың қатынасы 3 немесе 4 шамасына жақын. Тек масса мұндай қатынасты түсіндіре алмайды. Қалған айырмашылық гидратталған өлшемнен, агрегаттанудан және гельмен байланысудан туындайды.

«Жеңілірек болса, жылдамырақ» дегенді белгілі жорамалдарға негізделген модель деп қарастырыңыз: бөлшектер шар тәрізді, байланысу жоқ, агрегаттану жоқ, жағдайлар бірдей. Пластинада осы жорамалдардың кемінде екеуі орындалмайды.

Әділ салыстыруды қалай жүргізуге болады

Көрсетілімдегі қателер бағдарламалық жасақтамадағы қателерге ұқсайды: негізгі идея дұрыс, бірақ идеядан өлшеуге өту жолында тұзақ көп. Олардың әрқайсысы ешбір молекулалық қасиетті өзгертпей-ақ нәтижені өзгертеді.

Бірдей қалыңдықта құйылған бір партия агарды, ойық жасауға арналған бір құралды, бірдей сұйық көлемдерін және бірдей молярлық концентрацияларды қолданыңыз. Метилен көгінің агрегаттануын шектеп, түстің қанығуын болдырмау үшін концентрациялар жеткілікті төмен болсын. Әр еріген зат үшін кемінде үш қайталама ойық жасап, шептері ешқашан түйіспейтіндей арақашықтық қалдырыңыз. Ыдыстардың бетін жауып, көлденең ұстаңыз және температураны тұрақты сақтаңыз, өйткені агардағы бояғыштармен жүргізілген жұмыстар температура мен концентрацияға айқын тәуелділікті көрсетеді. Нөлдік уақытты ерітіндіні құю сәті деп белгілеңіз, ал өлшеуге дейін шекараның анықтамасын бекітіңіз: фотосуреттегі тұрақты шектік мән көзбен бағаланған шекарадан сенімдірек, себебі көк және күлгін түстердің көзге көріну шектері әртүрлі. Әр дақтың бір-біріне перпендикуляр екі диаметрін жазып, оларды орташа радиусқа айналдырыңыз: радиус пен диаметрді шатастыру қашықтық квадратының кез келген графигінде төрт еселік қате туғызады.

Белгілер: сол жақ бөлік әр шеп үшін ойық шетінен түс шекарасына дейін жоғарыдан өлшенетін радиусты көрсетеді; оң жақ бөлік ойық тереңдігі мен сыртқа бағытталған градиенттік ореолдары бар агар қимасын көрсетеді; шартты белгілерде бақыланатын айнымалылар берілген (агардың пайыздық мөлшері, қалыңдығы, бояғыштың молярлық концентрациясы, көлемі, ойық өлшемі, температура, нөлдік уақыт, жарықтандыру).

Диффузияға ұқсап көрінетін құбылыстарға назар аударыңыз. Агар бетіне төгілген сұйық жылдам диффузия сияқты көрінеді; бұл шағын агар ойықтарында құжатталған артефакт. Перманганат — күшті тотықтырғыш және органикалық материалдың іздік мөлшерлерімен әрекеттесіп жұмсалуы мүмкін; бұл оның шебін тоқтатады немесе түссіздендіреді. Метилен көгі тотығу-тотықсыздану реакцияларына қатысады және жарықта немесе тотықсыздандыратын жағдайларда түсі солғындауы мүмкін; метилен көгі мен оның түссіз тотықсызданған түрінің тотығу-тотықсыздану химиясы осы құбылысты түсіндіреді.

Еріткіш туралы қысқаша ескерту: стандартты көрсетілімде екі ойыққа да судағы ерітінділер құйылады. Егер хаттамада еріткіш өзгертілсе, алдымен ерігіштік және ерітінді дайындау нұсқаулығын қараңыз, өйткені ерігіштік пен агрегаттану ортаға байланысты өзгереді.

Сабақтағы бақылау парағы

Бұл кестені дәптерге көшіріңіз немесе әр ойық үшін бір жолдан басып шығарыңыз. Әр ыдысқа бөлек кесте қолдану қайталама өлшеулерді дұрыс тіркеуге көмектеседі.

Талдау үшін әр ойықтағы орташа радиус квадратының өткен уақытқа тәуелділік графигін салып, көлбеулерін салыстырыңыз. Графиктің жанына шекараның қалай анықталғанын жазыңыз. Алты қисықтың бәрі олардың шашырауымен бірге көрсетілсе, оқушылар өзгергіштікті ұялатын нәрсе емес, дерек ретінде қабылдайды.

Қауіпсіздік — хаттаманың бір бөлігі: қолғап пен көзді қорғайтын құрал киіңіз, өйткені метилен көгі тері мен киімді бояйды, ал перманганат — дақ қалдыратын және тітіркендіретін тотықтырғыш. Ерітінділердің ауызға түсуіне жол бермеңіз, науаның үстінде жұмыс істеңіз және пластиналар мен сұйықтарды раковинаға төкпей, мектептің химиялық қалдықтарды жою тәртібімен өткізіңіз.

Жазып алуға тұрарлық тұжырым

Агардың, концентрацияның және температураның осы жағдайларында көрінетін перманганат шебі әдетте метилен көгінің шебінен жылдамырақ таралады. Бұл перманганаттың тиімді диффузия коэффициенті жоғарырақ екенімен үйлеседі: негізгі себеп — оның гидратталған ионының әлдеқайда кіші болуы және метилен көгіндей агрегаттанбауы немесе агармен байланыспауы. Мұнда молекулалық масса сол өлшем айырмасымен байланысты, бірақ сұйықтарда немесе гельдерде диффузия жылдамдығын тек масса анықтамайды.

Осы тұжырымды жазып алған сынып екі нәрсені меңгереді: екі түсті ион туралы деректі және көрсетілімнің білдіретініне сенбес бұрын оның нені өлшейтінін сұрау әдетін.