Көк бөтөлкө тажрыйбасы: химиясы, жүргүзүү тартиби жана байкоолор

Тунук бөтөлкө лабораториялык үстөлдө турат. Ичиндегиси суудай көрүнөт. Кимдир бирөө аны чайкаганда, суюктук ачык көк түскө өтөт. Кайра коюп койгондо, көк түс бир же эки мүнөттүн ичинде жоголот. Дагы чайкасаңыз, көк түс кайра пайда болот. Бир эле даярдалган эритме менен муну жыйырма же андан көп жолу кайталоого болот.

Окуучулар адатта бөтөлкөнүн ичинде бир нерсе жашырылган же чайкоо эки катмарды аралаштырган деп божомолдошот. Эки божомол тең жаңылыш, бирок пайдалуу сабак берет. Түс бүт эритмеде болгон жалгыз боёктон — метилен көгүнөн — келип чыгат. Өзгөргөн нерсе — боёк канча электрон алып жүргөнү. Бул көрсөтмө кычкылдануу-калыбына келүү циклин көзгө көрүнүктүү кылат, ал эми класста байкала турган ар бир өзгөрмө — чайкоо убактысы, температура, концентрация — химиялык процесстеги белгилүү бир факторго туура келет.

Бир эле боёктун эки формасы

Кычкылданган метилен көгү — оң заряддуу, жалпак шакекчелүү система. Ал 600–700 нанометр аймагындагы жарыкты күчтүү сиңирет, муну көз кочкул көк түс катары кабыл алат. Эки форма жана алардын спектрлери метилен көгүнүн түзүлүшү жана касиеттери боюнча колдонмодо баяндалган.

Калыбына келүү эки электрон менен бир протонду кошуп, лейкометилен көгүн пайда кылат: ал зарядсыз, жалпак эмес жана иш жүзүндө түссүз. Щелочтуу эритмеде жарым реакция мындай жазылат: MB+ + H2O + 2 e- ⇌ LMB + OH-. Бул кадам толугу менен кайтарымдуу. Көк түс — кычкылданган форманы, түссүздүк — калыбына келген форманы билдирет; байкоого тийиш болгон үчүнчү абал жок. Ошондуктан бул кычкылдануу-калыбына келүү химиясы менен алгачкы таанышуу үчүн абдан ыңгайлуу.

Цикл: глюкоза калыбына келтирет, кычкылтек кайра кычкылдантат

Бөтөлкөдө үч негизги компонент бар: метилен көгү, глюкоза жана күчтүү щелочь — калий гидроксиди же натрий гидроксиди. Щелочь глюкозанын реакцияга жөндөмдүү депротондолгон формаларынын пайда болушуна өбөлгө түзүп, алар боёкко электрон берет:

калыбына келтирүүчү кант + MB (көк, кычкылданган) -> кычкылданган кант продуктулары + LMB (түссүз)

Бул жай кадам бөтөлкө тынч турганда түстү жоготот. Глюкоза электрон берүүчү сарпталуучу зат болуп, реакцияда колдонулат. Боёк болсо электрондорду гана ташыйт, ошондуктан бүт бөтөлкө үчүн бир нече тамчы жетиштүү. Эски окуу материалдарында глюкоза глюкон кислотасына айланат деп айтылат. Мындай жөнөкөйлөштүрүлгөн түшүндүрмө байкоолорду туура сүрөттөйт, бирок мугалимдер анын толук эмес экенин билиши керек: Royal Society Open Science журналында жарыяланган механизмдик талдоо кычкылдануу реакцияга жөндөмдүү энедиолат аркылуу өтүп, андан кийин майда кислоталарга ажыраган дикарбонил түзүлөрүн көрсөтөт.

Чайкоо көзгө көрүнгөн натыйжаны кайра өзгөртөт. Аралаштыруу бөтөлкөнүн үстүңкү аба мейкиндигиндеги кычкылтектин эритмеге өтүшүнө шарт түзөт, андан кийин кычкылтек калыбына келген боёкту кайра кычкылдантат:

LMB (түссүз) + O2 -> MB (көк) + калыбына келген кычкылтек продуктулары

Тынч турганда эриген кычкылтек түгөнөт, глюкоза боёкту кайра калыбына келтирет жана түс өчөт. Көп цикл өткөндө жалпы химиялык процесс абадагы кычкылтек менен канттын кычкылданышы болуп саналат, ал эми боёк кычкылдануу-калыбына келүү медиатору катары өзгөрүүсүз циклден өтөт. Бул так маанисинде катализатор эмес, медиатор, анткени канттын кычкылданышы ансыз да жүрөт; түстүн өчүшү да ажыроо эмес, себеби бузулган боёкту чайкоо менен кайра калыбына келтирүүгө болбойт. Көрсөтмөлөрдүн ортосунда боёк эритмелерин туруктуу сактоо үчүн метилен көгүнүн эритмелерин колдонуу жана сактоо боюнча эскертмелерди караңыз.

Көзөмөл астындагы көрсөтмөнү жүргүзүү тартиби

Бул үй шартындагы иш эмес, көзөмөл астында жүргүзүлүүчү көрсөтмө. Щелочь менен иштегенде көздү коргоочу каражат, колкап жана даярдоону да, тазалоону да көзөмөлдөгөн мугалим талап кылынат. Документтештирилген эки ыкма түзүлүшү боюнча окшош, бирок масштабы боюнча айырмаланат.

Indiana University химия кафедрасы жарыялаган көрсөтмөнүн (https://www.chem.indiana.edu/faculty-research/faculty-resources/chemistry-demos/demo/the-blue-bottle-demonstration/) нускама барагында болжол менен 5 процент калий гидроксиди, 4 процент глюкоза жана 1 процент суудагы метилен көгү колдонулат. Щелочь менен глюкоза эритмелеринин бирдей көлөмүн тунук 250 же 500 миллилитрлик бөтөлкөгө жарымына чейин куюп, калган бөлүгүн аба мейкиндиги катары калтырыңыз. Бир нече тамчы боёк кошуп, капкагын жаап, кошулган жерин бекемдеп, көк түс жоголгонго чейин тынч коюңуз. Royal Society of Chemistry процедурасы ошол эле принципти тыгыны бар 1 литрлик колбага ылайыкташтырат: 300 миллилитр суу, 10 грамм глюкоза, 8 грамм калий гидроксиди (же 6 грамм натрий гидроксиди), андан тышкары бир нече миллилитр суюлтулган боёк запастык эритмеси.

Көрсөтүү үчүн катуу чайкаңыз. Толук көк түс бир нече секундда пайда болот. Колбаны коюп, түстүн өчүшүнө кеткен убакытты өлчөңүз. Royal Society of Chemistry бир даярдалган эритме менен жыйырмадан ашык цикл өткөрүүгө болорун билдирет. Бөтөлкөнү эч качан оозуна чейин толтурбаңыз: ичинде аба калбаса, эриши үчүн кычкылтектин запасы болбойт.

Эмнени байкоо керек жана убакытка эмне таасир этет

Үч нерсенин убактысын өлчөңүз: толук көк түскө чейин чайкоо (секунд), түссүз абалга чейин тынч туруу (бир нече мүнөткө чейин) жана көк түс алсырай баштаганга чейинки циклдердин саны. Ар бир өчүүнүн аягына жакын суюктуктун бетине көңүл буруңуз. Аба менен чектешкен жерде кычкылтек диффузиясын уланткандыктан, жука көк катмар көп учурда бир азга сакталып калат. Бул сызык — көзгө көрүнгөн диффузия.

Көк бөтөлкө реакциясы Royal Society of Chemistry процедурасында берилген эмпирикалык ылдамдык мыйзамына баш иет: rate = k[MB oxidised][glucose]OH-. Ар бир мүчөнү класста өзүнчө текшерүүгө болот. Глюкозанын, щелочтун же боёктун көбүрөөк болушу көк мезгилди кыскартат. Жылуулук түстүн өчүшүн тездетет; муздак колбада процесс жайлайт. Катуураак чайкоо көбүрөөк кычкылтекти эритет, ошондуктан көк түс узагыраак сакталат. Үстүңкү аба мейкиндигинин чоң болушу циклдердин жалпы узактыгын көбөйтөт. Циклдер акырында алсырап, суюктук саргыч тарта баштаганда, кант сарпталып, кошумча продуктулар топтолгон болот. Бул акыркы чек да жазып алууга татыктуу натыйжа.

Байкоо иш барагы

Бул таблицаны дептерге көчүрүп, ар бир сыноо үчүн бир сап толтуруңуз. Бул иш барагы менен жогорудагы реакция схемасы ушул макаланын басып чыгарууга ылайыктуу материалдары болуп саналат.

Ар бир сыноонун алдында жооп бериле турган божомол суроолору:

• Бөтөлкө чайкалгандан кийин дароо көк болот. Боёктун кайсы формасы басымдуу жана аны ошол абалга эмне келтирди?
• Бөтөлкө тынч туруп, түсү өчөт. Кайсы реакция үстөмдүк кылууда жана кайсы компонент сарпталууда?
• Көп циклден кийин көк түс күңүрт жана саргыч болуп калат. Аны боёк, щелочь же глюкоза кошуп калыбына келтирүү керекпи жана эмне үчүн?
• Бир цикл үчүн түстүн убакытка көз карандылык графигин чийиңиз. Кычкылтек эритмеге кайсы жерде кирерин белгилеңиз.

Мугалим үчүн жооптор: (1) кычкылданган метилен көгү, үстүңкү аба мейкиндигинен эриген кычкылтек аны кайра кычкылдантат; (2) глюкоза аркылуу калыбына келүү, глюкоза сарпталат; (3) глюкоза, чектөөчү электрон донору, анткени боёк циклде өзгөрүүсүз калат; (4) чайкаганда кескин өсүш, тынч турганда акырын төмөндөө, кычкылтектин кириши өсүү маалында гана.

Атоого татыктуу окшош көрсөтмөлөр

«Светофор» көрсөтмөсүндө индиго кармини колдонулуп, кычкылтектенүү учурунда түс сарыдан кызылга, андан жашылга өтөт. «Жашыл бөтөлкө» деген аталыш так эмес колдонулат: кээде ошол вариантты, кээде аскорбин кислотасы системалары сыяктуу жашылыраак курамдарды же American Chemical Society сүрөттөгөн ферменттик цикл системасын билдирет. Окуучулар ар башка химиялык системалардагы байкоолорду аралаштырбашы үчүн, үстөлдө кайсы вариант турганын так атаңыз.

Коопсуздук жана колдонуу

Бардык этапта көзөмөл талап кылынат. Щелочтуу эритмени кармоодо же тыгындалган идишти чайкоодо химиялык чачырандылардан коргоочу көз айнек жана колкап колдонуңуз. Щелочь күйүккө алып келиши мүмкүн, боёк тери менен кездемени булгайт, ал эми этанолдо даярдалган боёк запастык эритмелери лабораториялык үстөлгө күйүүчү эриткич кошот. Чайкоо учурунда идиштин тыгынын жабык кармаңыз. Андан кийин колдонулган эритмелерди мекемеңиздин лабораториялык эрежелерине ылайык иштетүү үчүн сактап коюңуз. Щелочтуу жана боёк камтыган калдыктарды иштетүү талаптары мекемеге жана юрисдикцияга жараша айырмаланат, ошондуктан башка булактан алынган тартипти көчүрбөстөн, өз лабораторияңыз кабыл алган процедураны аткарыңыз.

Эгер түс өзгөрүүсүнүн ордуна сандык маалымат керек болсо, метилен көгүн сандык аныктоо ыкмалары ушул көрсөтмө аяктаган жерден уланат.

Эмне үчүн мугалимдер бул бөтөлкөнү кайра-кайра колдонушат

Бир колбанын ичинде төрт түшүнүк биригет. Кычкылдануу-калыбына келүү аныктама эмес, көзгө көрүнгөн түскө айланат. Медиатор аз өлчөмдөгү бир зат башка заттын чоң көлөмүндөгү өзгөрүүнү кантип көрсөтөрүн түшүндүрөт. Кинетика менен термодинамика көзгө көрүнүктүү түрдө ажыратылат: чайкоо кычкылтек жеткирип турганда кычкылтек үстөмдүк кылат, ал эми жеткирүү токтогондо глюкоза үстөмдүк кылат. Ал эми химиядагы эң тынч процесс болгон диффузия бүт көрсөтмөнүн негизин түзөт, анткени ар бир көк жарк этиш кычкылтектин абадан сууга өтүшүнөн башталат. Окуучуларга мунун баарын секундомер жана таблица менен алдын ала божомолдоого, убакытын өлчөөгө жана түшүндүрүүгө мүмкүнчүлүк берген көрсөтмө лабораториялык үстөлдө өз ордуна татыктуу.