Метилен көгүнүн жана перманганаттын диффузиясы: агардагы тажрыйба эмнени көрсөтөт

Мугалим агар пластинасында эки чуңкурча жасап, бирине көк боёк, экинчисине кызгылт көк эритме куюп, окуучуларга байкоо жүргүзүүнү айтат. Бир сааттан кийин кызгылт көк шакек кененирээк болуп калат. Окуучулар калий перманганаты жеңилирээк болгондуктан метилен көгүнө караганда тезирээк диффузияланат деп жазышат.

Бул сүйлөмдүн жарымы туура, жарымы жаңылыш түшүнүк жаратат. Кызыктуусу — дал ошол жаңылыш түшүнүк жараткан бөлүгү. Бул көрсөтмө тажрыйба диффузия боюнча сабактарда кеңири колдонулат жана, мисалы, ушул агардагы диффузия боюнча лабораториялык тапшырмада сүрөттөлгөн. Бирок окуучулар көргөн нерсе молекулалык массанын түздөн-түз таасири эмес. Алар гель аркылуу көзгө көрүнгөн түс чегинин жылышын көрүшөт. Ага иондун өлчөмү, гидратация, боёктун байланышы, концентрация, температура жана чекти өлчөө ыкмасы таасир этет.

Түстүү чек диффузия коэффициенти эмес

Диффузия — эриген бөлүкчөлөрдүн концентрациясы жогору жерден концентрациясы төмөн жерге жайылышы. Адатта D деп белгиленген диффузия коэффициенти белгилүү бир эриген заттын белгилүү чөйрөдө, белгилүү температурада канчалык тез жайыларын сүрөттөйт.

Сабактагы пластина D көрсөткүчүн түздөн-түз көрсөтпөйт. Ал түс көзгө көрүнбөй тургандай күңүрт болуп калган чекти көрсөтөт. Бул чек диффузиянын өзүнөн тышкары боёктун жарыкты сиңирүү жөндөмүнө, жарыктандырууга, камеранын экспозициясына, чуңкурчага куюлган эритменин концентрациясына жана сызгыч кармаган адамдын баалоосуна да көз каранды.

Сабакта алынган көрсөткүчтү өз аты менен атаңыз: бул — көзгө көрүнгөн диффузия фронтунун жылышы. Формалдуу талдоолордо жылыштын орточо квадраты D менен Фик диффузиясын талдоодо келтирилген түрдөгү байланыштар аркылуу байланыштырылат. Бирок D маанисин эсептеп чыгаруу үчүн сабактын аягындагы жалгыз диаметр эмес, убакыт боюнча концентрация профилдери керек. Сабакта жүргүзүлгөн бир жарыяланган изилдөөдө акыркы тактардын өлчөмдөрүн салыштыруунун ордуна аралык квадратынын убакытка көз карандылыгынын графиги түзүлүп, гелдеги метилен көгүнүн диффузия коэффициенти болжол менен 4.5 × 10^-10 m^2/s экени аныкталган. Бир гана көз ирмемдеги сүрөт мындай маалыматты бере албайт.

Тажрыйбанын негизги түшүнүгү ушул. Калганынын баары пластина бул түшүнүктү канчалык так чагылдырарына байланыштуу деталдар.

Эки молекула эмес, эки түстүү ион

Эриген заттардын эч бири агар аркылуу бөтөлкөдө жазылган формуладагы бүтүн бөлүкчө катары жүрбөйт. Экөө тең сууда диссоциациялануучу күчтүү электролиттер.

Калий перманганаты (KMnO4, формулалык массасы болжол менен 158.03 g/mol) калий иондоруна жана перманганат иондоруна ажырайт. Кызгылт көк түстө жылган бөлүкчө — суу кабыкчасы менен курчалган, массасы болжол менен 118.94 g/mol болгон MnO4^- перманганат иону. Метилен көгүнүн хлориди (суусуз туз C16H18ClN3S, болжол менен 319.85 g/mol) хлоридге жана массасы болжол менен 284.41 g/mol болгон көк органикалык MB^+ катионуна ажырайт; ал да гидратацияланган. Бул формалар NIST базасындагы метилен көгү тууралуу жазууда жана ChEBI базасындагы метилен көгү тууралуу маалыматта көрсөтүлгөн. Ал эми химиясы жана түзүлүшү боюнча маалымдамада эмне үчүн катионду, суусуз тузду жана гидраттарды өзүнчө атоо керектиги түшүндүрүлөт.

Мындан үч тыянак чыгат.

Биринчиден, 158 менен 320 санын салыштыруу түстүү иондордун өлчөмдөрүндөгү чыныгы айырманы толук көрсөтпөйт. Себеби болжол менен 119 g/mol болгон кызгылт көк бөлүкчө болжол менен 284 g/mol болгон көк катиондон кыйла кичине. Андан тышкары, экөөнүн тең эффективдүү өлчөмүн чоңойтуучу гидратация кабыкчалары бар.

Экинчиден, метилен көгүнүн катиондору башка нерселерге жабышат. Концентрация өскөн сайын алар димерлерди жана андан чоң агрегаттарды түзөт, ошондой эле агарга адсорбцияланат. Агардагы адсорбция боюнча изилдөөлөрдө мономердин да, димердин да байланышы катталган. Адсорбцияланган боёк ордунда калат. Ал фронтту алдыга жылдырбастан гелди боёйт.

Үчүнчүдөн, кеңири колдонулган реагент порошогу гидрат болгондуктан, таразага тартылган бир грамм заттын кристаллында суу да бар. Тригидрат менен суусуз форманы салыштыруу мунун молярдык концентрацияны кантип өзгөртөрүн көрсөтөт. Сабакта бирдей шартта салыштыруу үчүн туздардын молярдык концентрациялары тең болгон эритмелерди даярдап, катуу заттын кайсы формасы колдонулганын жазыңыз.

Эмне үчүн бул жерде жеңилирээк болуу тезирээк дегенди билдирбейт

Суюлтулган суюк эритмелерде массага таянгандан көрө Стокс–Эйнштейн модели жакшыраак баштапкы түшүндүрмө берет. Анда диффузия коэффициенти температурага түз, ал эми илешкектүүлүк менен гидродинамикалык радиустун көбөйтүндүсүнө тескери пропорционалдуу болот. Гидратацияланган өлчөмү кичине бөлүкчө тезирээк жайылат. Бир химиялык топтун ичинде төмөн масса көбүнчө кичине өлчөм менен байланыштуу болгондуктан, жеңилирээк болуу түшүндүрмөдөй көрүнүшү мүмкүн. Бирок бул — байланыш, механизм эмес.

Газдын майда тешик аркылуу чыгуу ылдамдыгы молярдык массанын квадраттык тамырына тескери пропорционалдуу экенин билдирген Грэм мыйзамы бул пластинадагы процессти башкарбайт. Анын чыгарылышы газдардын кинетикалык теориясына таандык. Бул теория OpenStax басылмасынын газдардын эффузиясы жана диффузиясы тууралуу бөлүмүндө кыскача берилген. Суюктуктарда илешкектүү каршылык, гидратация, форманын таасири жана бөлүкчөлөрдүн жыш жайгашуусу кошулат. Гелдерде болсо көзөнөктөрдүн түзүлүшү, жолдордун ийри-буйрулугу, адсорбция жана полимер менен заряддык өз ара аракеттенүү да кошулат.

Сандар бул айырманы ачык көрсөтөт. Грэм мыйзамын 158 менен 320 маанилерине колдонгондо, ылдамдыктардын катышы болжол менен 1.42 болушу керек. Суюлтулган суу эритмелеринде өлчөнгөн диффузия коэффициенттери башкача көрүнүштү берет: перманганаттыкы болжол менен 1.6–1.8 × 10^-9 m^2/s, метилен көгүнүкү болжол менен 4.5–5 × 10^-10 m^2/s. Алардын катышы 3 же 4кө жакыныраак. Мындай катышты масса өзү эле түшүндүрө албайт. Калган айырма гидратацияланган өлчөмдөн, агрегаттардын түзүлүшүнөн жана гель менен байланыштан келип чыгат.

«Жеңилирээк болсо, тезирээк» деген түшүндүрмөнү белгилүү божомолдорго таянган модель катары караңыз: бөлүкчөлөр шар сымал, байланышуу жок, агрегаттар түзүлбөйт, шарттар бирдей. Пластинада бул божомолдордун кеминде экөө аткарылбайт.

Салыштырууну кантип бирдей шартта жүргүзүү керек

Бул көрсөтмө тажрыйба программалык камсыздоо сыяктуу эле ката кетирет: негизги идея туура, бирок идеядан өлчөөгө өтүүдө көп тузак бар. Алардын ар бири эч бир молекулалык касиетти өзгөртпөстөн жыйынтыкты өзгөртөт.

Бир партиядагы агарды бирдей калыңдыкта куюп, чуңкурчаларды бир эле кескич менен жасаңыз. Суюктуктун көлөмү жана молярдык концентрациясы тең болсун. Метилен көгүнүн агрегат түзүшүн чектеп, түс өтө каныккан болуп кетпеши үчүн концентрациялар жетишерлик төмөн болсун. Ар бир эриген зат үчүн кеминде үч кайталоо чуңкурчасын жасаңыз жана фронттор эч качан жолукпагандай аралык калтырыңыз. Идиштерди жаап, тегиз кармап, температураны туруктуу сактаңыз. Анткени агардагы боёктор боюнча иштерде температурага жана концентрацияга күчтүү көз карандылык көрсөтүлгөн. Куюу учурун убакыттын нөлдүк чекити деп белгилеп, өлчөөдөн мурун чекти кантип аныктарыңызды чечиңиз: сүрөттөгү туруктуу босого мааниси көз менен болжолдонгон чекке караганда жакшыраак, себеби көк жана кызгылт көк түстөрдүн көзгө байкалуу чектери ар башка. Ар бир тактын бири-бирине перпендикуляр эки диаметрин жазып, орточо радиусту эсептеңиз. Радиус менен диаметрди чаташтыруу аралык квадратынын ар кандай графигин төрт эсе бурмалайт.

Белгилер: сол бөлүктө ар бир фронт үчүн чуңкурчанын четинен түс чегине чейин үстүнөн карап өлчөнгөн радиус көрсөтүлгөн; оң бөлүктө чуңкурчанын тереңдиги жана сыртка багытталган градиенттүү ореолдор менен агардын кесилиши көрсөтүлгөн; түшүндүрмөдө көзөмөлдөнүүчү өзгөрмөлөр тизмеленген (агардын пайызы, калыңдыгы, боёктун молярдык концентрациясы, көлөмү, чуңкурчанын өлчөмү, температура, убакыттын нөлдүк чекити, жарыктандыруу).

Жаңылыш көрүнүштөргө көңүл буруңуз. Агардын бетине жайылып кеткен суюктук тез диффузияга окшоп көрүнөт жана кичине агар чуңкурчаларында катталган артефакт болуп саналат. Перманганат күчтүү кычкылдандыргыч болгондуктан, органикалык заттардын өтө аз калдыктары менен реакцияга кирип сарпталышы мүмкүн. Бул анын фронтун токтотот же түссүздөнтөт. Метилен көгү кычкылдануу-калыбына келүү реакцияларына катышат жана жарыкта же калыбына келтирүүчү шарттарда өңү өчүшү мүмкүн; метилен көгүнүн кычкылдануу-калыбына келүү химиясы жана анын түссүз калыбына келген формасы тууралуу макалада бул жүрүм-турум түшүндүрүлөт.

Эриткич тууралуу кыскача эскертүү: стандарттуу көрсөтмө тажрыйбадагы эки чуңкурчада тең суу эритмелери болот. Эгер кандайдыр бир протоколдо эриткич өзгөртүлсө, адегенде эригичтик жана эритме даярдоо боюнча колдонмону караңыз. Себеби эригичтик жана агрегаттардын түзүлүшү чөйрөгө жараша өзгөрөт.

Сабактагы байкоолор үчүн иш барагы

Бул таблицаны дептерге көчүрүңүз же ар бир чуңкурча үчүн бир саптан басып чыгарыңыз. Ар бир идишке өзүнчө таблица колдонуу кайталанган өлчөөлөрдү туура эсепке алууга жардам берет.

Талдоо үчүн ар бир чуңкурчанын орточо радиусунун квадратынын өткөн убакытка көз карандылыгынын графигин түзүп, сызыктардын жантаюуларын салыштырыңыз. Графиктин жанына чектин аныктамасын да жазыңыз. Эгер алты ийри сызыктын баары алардын айырмалануу диапазону менен көрсөтүлсө, окуучулар өзгөрмөлүүлүктү уялууга себеп эмес, маалымат катары көрүшөт.

Коопсуздук — протоколдун бир бөлүгү: кол кап жана көздү коргоочу каражат тагыныңыз. Метилен көгү терини жана кийимди боёйт, ал эми перманганат так калтыруучу жана дүүлүктүрүүчү кычкылдандыргыч. Эритмелерди оозго тийгизбеңиз, табакчанын үстүндө иштеңиз жана пластиналар менен суюктуктарды раковинага төкпөстөн, мектептин химиялык калдыктарды жок кылуу тартиби боюнча өткөрүңүз.

Жазып алууга татыктуу сүйлөм

Ушул агар, концентрация жана температура шарттарында перманганаттын көзгө көрүнгөн фронту адатта метилен көгүнүн фронтуна караганда тезирээк жайылат. Бул перманганаттын эффективдүү диффузия коэффициенти жогору экенине шайкеш келет. Негизги себеп — анын гидратацияланган иону кыйла кичине жана ал метилен көгүндөй агрегаттарды түзбөйт же агар менен байланышпайт. Бул жерде молекулалык масса өлчөмдөрдүн ошол айырмасы менен байланыштуу, бирок суюктуктарда же гелдерде диффузия ылдамдыгын масса өзү эле аныктабайт.

Бул сүйлөмдү жазган окуучулар эки нерсени үйрөнүшөт: эки түстүү ион тууралуу бир фактыны жана тажрыйба эмнени айтып жаткандай көрүнөрүнө ишенүүдөн мурун, анын чындыгында эмнени өлчөөрүн суроо адатын.