Diffusioun vu Methylenblo a Permanganat: wat den Agar-Experiment weist

Eng Léierpersoun schneit zwou Vertiefungen an eng Agarplack, fëllt déi eng mat bloem Faarfstoff an déi aner mat enger mof Léisung a freet d'Klass, ze observéieren. Eng Stonn méi spéit ass de mof Rank méi breet. D'Klass schreift op, datt Kaliumpermanganat méi séier diffuséiert wéi Methylenblo, well et méi liicht ass.

Dee Saz ass zur Hallschent richteg an zur Hallschent irféierend, an déi irféierend Hallschent ass den interessanten Deel. D'Demonstratioun ass eng Standardübung iwwer Diffusioun, wéi se zum Beispill an dëser Laboübung iwwer Diffusioun an Agar beschriwwe gëtt. Wat d'Schüler gesinn, ass awer net d'Molekulargewiicht a Wierkung. Et ass d'Beweegung vun engem siichtbare Faarfrand duerch e Gel, beaflosst duerch Ionegréisst, Hydratatioun, Faarfstoffbindung, Konzentratioun, Temperatur an d'Aart a Weis, wéi de Rand gemooss gëtt.

De faarwege Rand ass net den Diffusiounskoeffizient

Diffusioun ass d'Ausbreedung vu opgeléiste Partikele vu Beräicher mat héijer Konzentratioun a Beräicher mat niddreger Konzentratioun. Den Diffusiounskoeffizient, normalerweis D geschriwwen, beschreift, wéi séier dës Ausbreedung fir e bestëmmten opgeléiste Stoff an engem bestëmmte Medium bei enger bestëmmter Temperatur geschitt.

Eng Plack am Unterrecht weist D net direkt. Si weist eng Grenz, wou d'Faarf ze schwaach gëtt, fir nach siichtbar ze sinn. Déi Grenz hänkt vun der Absorptiounsfäegkeet vum Faarfstoff, der Beliichtung, der Kamerabelichtung, der Konzentratioun an der Vertiefung an der Aschätzung vun der Persoun mam Lineal of, souwéi vun der Diffusioun selwer.

Benennt dat, wat am Unterrecht gemooss gëtt, richteg: d'Beweegung vun enger siichtbarer Diffusiounsfront. Formal Beschreiwunge verbannen déi mëttel quadratesch Verrécklung mat D iwwer Relatioune vun der Form, wéi se an der Analys vun der Diffusioun no Fick ze fanne sinn. Fir D duerch eng Upassung ze bestëmmen, brauch een awer Konzentratiounsprofiller iwwer d'Zäit, net nëmmen een Duerchmiesser um Enn vun der Unterrechtsstonn. Eng publizéiert Etüd iwwer en Unterrechtsexperiment huet eng Diffusivitéit vu Methylenblo am Gel vu ronn 4.5 mol 10^-10 m^2/s bestëmmt, andeems si déi quadréiert Distanz géint d'Zäit opgezeechent huet, amplaz déi definitiv Fleckegréissten ze vergläichen. Eng eenzel Momentopnam kann dat net leeschten.

Dat ass d'Konzept hannert der Demonstratioun, an alles anescht ass en Detail dovun, wéi genee d'Plack et duerstellt.

Zwee faarweg Ionen, net zwou Moleküllen

Keen vun deenen zwee opgeléiste Stoffer beweegt sech duerch Agar an där Form, déi als Formel op der Fläsch steet. Béid si staark Elektrolyten, déi am Waasser dissociéieren.

Kaliumpermanganat (KMnO4, Formelmass ongeféier 158.03 g/mol) trennt sech a Kaliumionen a Permanganationen. Dat mof Ion, dat sech beweegt, ass de Permanganation MnO4^-, mat enger Mass vun ongeféier 118.94 g/mol, ëmgi vun enger Waasserhüll. Methylenblochlorid (waasserfräit Salz C16H18ClN3S, ongeféier 319.85 g/mol) trennt sech a Chlorid an de bloen organesche Kation MB^+, mat enger Mass vun ongeféier 284.41 g/mol, deen och hydratiséiert ass. Den NIST-Dateblat iwwer Methylenblo an den ChEBI-Andrag iwwer Methylenblo dokumentéieren dës Formen, an de Referenzartikel iwwer Chimie a Struktur erkläert, firwat de Kation, dat waasserfräit Salz an d'Hydrate separat Nimm brauchen.

Doraus erginn sech dräi Konsequenzen.

Éischtens ënnerschätzt de Verglach vun 158 mat 320 den tatsächleche Gréisstenënnerscheed tëscht de faarwegen Ionen, well déi mof Spezies mat ongeféier 119 g/mol vill méi kleng ass wéi de bloe Kation mat ongeféier 284 g/mol. Béid droen ausserdeem Hydratatiounshüllen, déi hir effektiv Gréisst erhéijen.

Zweetens bleiwe Methylenblokationen u Material hänken. Si bilden Dimeren a méi grouss Aggregater, wann d'Konzentratioun klëmmt, a si adsorbéieren un Agar. An Etüden iwwer Adsorptioun un Agar gëtt iwwer d'Bindung vu Monomeren an Dimeren bericht. Adsorbéierte Faarfstoff bleift op der Plaz. Hie faarft de Gel, ouni d'Front virunzebréngen.

Drëttens ass dat üblecht Reagenzpudder en Hydrat, sou datt en ofgeweit Gramm Waasser am Kristall enthält. De Verglach tëscht Trihydrat a waasserfräier Form weist, wéi dat d'Molaritéit verännert. Fir e faire Verglach am Unterrecht, bereet Léisunge mat gläiche molare Konzentratioune vun de Salzer vir an notéiert, wéi eng fest Form benotzt gouf.

Firwat méi liicht hei net méi séier bedeit

A verdënnte Flëssegkeeten ass d'Stokes-Einstein-Modellvirstellung e besseren éischte Modell wéi d'Mass. Dobäi ass d'Diffusivitéit proportional zu der Temperatur gedeelt duerch d'Viskositéit an den hydrodynamesche Radius. Eng méi kleng hydratiséiert Gréisst ass am Virdeel. Eng méi niddreg Mass korreléiert dacks mat enger méi klenger Gréisst bannent enger cheemescher Famill, soudatt „méi liicht“ wéi eng Erklärung wierke kann. Et ass eng Korrelatioun, net de Mechanismus.

D'Graham-Gesetz, dat seet, datt d'Effusiounsvitesse vu Gase proportional zum ëmgekéierte Wäert vun der Quadratwuerzel vun der molarer Mass ass, bestëmmt net, wat op dëser Plack geschitt. Seng Hierleedung gehéiert zur kinetescher Gastheorie, déi an dëser OpenStax-Erklärung iwwer Effusioun an Diffusioun vu Gasen zesummegefaasst ass. A Flëssegkeete kommen de viskose Widderstand, d'Hydratatioun, d'Formeffekter an d'Behënnerung duerch aner Partikelen dobäi. A Gele kommen d'Porestruktur, d'Tortuositéit, d'Adsorptioun an d'elektresch Wechselwierkunge mam Polymer dobäi.

D'Zuele weisen den Ënnerscheed. D'Graham-Gesetz, op 158 géintiwwer 320 applizéiert, seet e Vitesseverhältnis vun ongeféier 1.42 viraus. Gemoossen Diffusivitéiten a verdënnte wässerleche Léisungen erzielen eng aner Geschicht: Permanganat läit bei ongeféier 1.6 bis 1.8 mol 10^-9 m^2/s, géintiwwer Methylenblo bei ongeféier 4.5 bis 5 mol 10^-10 m^2/s, also e Verhältnis, dat éischter bei 3 oder 4 läit. D'Mass eleng kann dat Verhältnis net erklären. Déi hydratiséiert Gréisst, d'Aggregatioun an d'Bindung un de Gel erklären de Rescht.

Betruecht „méi liicht heescht méi séier“ als e Modell mat Viraussetzungen: kugelfërmeg Partikelen, keng Bindung, keng Aggregatioun an identesch Bedéngungen. Op der Plack sinn op d'mannst zwou dovun net erfëllt.

Wéi een e faire Verglach mécht

D'Demonstratioun schléit op déiselwecht Aart a Weis feel wéi Software: déi ënnerläitend Iddi ass gutt, mee d'Iwwersetzung vun der Iddi an eng Miessung ass voller Fallen. All eenzel vun hinne verännert d'Resultat, ouni eng molekular Eegenschaft ze veränneren.

Benotzt eng eenzeg Charge Agar, déi iwwerall op déiselwecht Déckt gegoss gëtt, datselwecht Instrument fir d'Vertiefungen auszeschneiden, gläich Flëssegkeetsvolumen, gläich molar Konzentratiounen a Konzentratiounen, déi niddreg genuch sinn, fir d'Aggregatioun vu Methylenblo ze limitéieren an d'Faarf net ze sättigen. Schneit op d'mannst dräi widderholl Vertiefunge pro opgeléiste Stoff aus, mat genuch Ofstand, datt d'Fronten ni openeentreffen. Deckt d'Schuelen zou, haalt se horizontal an haalt d'Temperatur konstant, well Aarbechte mat Faarfstoffer an Agar eng staark Ofhängegkeet vun Temperatur a Konzentratioun weisen. Definéiert den Zäitnullpunkt als de Moment vum Afëllen, an definéiert de Rand, éier Dir moosst: e feste Schwellwäert op enger Foto ass besser wéi eng Grenz, déi mam A geschat gëtt, well blo a mof ënnerschiddlech visuell Erkennungsgrenzen hunn. Notéiert pro Fleck zwee Duerchmiesser, déi senkrecht openee stinn, a rechent se an e mëttlere Radius ëm. Wann de Radius mam Duerchmiesser verwiesselt gëtt, ass all Diagramm vun der quadréierter Distanz ëm e Faktor vu véier verfälscht.

Beschrëftungen: déi lénks Duerstellung weist de Radius vun uewen, gemooss vum Rand vun der Vertiefung bis zum Faarfrand fir all Front; déi riets Duerstellung weist den Agar am Querschnëtt mat der Déift vun der Vertiefung a Gradientzonen, déi sech no baussen ausbreeden; d'Legend lëscht déi kontrolléiert Variabelen op (Agarprozent, Déckt, Faarfstoffmolaritéit, Volumen, Gréisst vun der Vertiefung, Temperatur, Zäitnullpunkt, Beliichtung).

Passt op täuschend Effekter op. Flëssegkeet, déi iwwer d'Agaruewerfläch leeft, gesäit aus wéi séier Diffusioun an ass en dokumentéiert Artefakt bei klengen Agarvertiefungen. Permanganat ass e staarkt Oxidatiounsmëttel a kann duerch Spuere vun organeschem Material verbraucht ginn, wat seng Front zum Stëllstand bréngt oder verbleeche léisst. Methylenblo ass redoxaktiv a kann ënner Liicht oder reduzéierende Bedéngunge verbleechen; d'Redoxchimie vu Methylenblo a senger faarfloser reduzéierter Form erkläert dëst Verhalen.

Eng kuerz Bemierkung zum Léisungsmëttel: béid Vertiefungen an der Standarddemonstratioun enthalen wässerlech Léisungen. Wann e Protokoll d'Léisungsmëttel ännert, kuckt fir d'éischt an de Guide iwwer Léisléchkeet a Virbereedung vu Léisungen, well d'Léisléchkeet an d'Aggregatioun mam Medium änneren.

Observatiounsblat fir den Unterrecht

Kopéiert dës Tabell an d'Hefter oder dréckt eng Zeil pro Vertiefung aus. Eng Tabell pro Schuel hält d'Widderhuelungen propper getrennt.

Fir d'Analys, zeechent fir all Vertiefung de Quadrat vum mëttlere Radius géint déi vergaangen Zäit op a vergläicht d'Steigungen. Gitt d'Definitioun vum Rand nieft dem Diagramm un. Wann all sechs Kéiere mat hirer Streeung gewise ginn, gesäit d'Klass Variatioun als Donnéeën an net als eppes Peinleches.

Sécherheet ass en Deel vum Protokoll: drot Händschen an en Aeschutz, well Methylenblo Haut a Kleeder faarft a Permanganat en Oxidatiounsmëttel ass, dat Flecke mécht a reizt. Haalt d'Léisunge vum Mond ewech, schafft iwwer engem Plateau an entsuergt Placken a Flëssegkeeten iwwer de System fir cheemesch Offäll vun der Schoul, net iwwer de Spullsteen.

De Saz, deen et wäert ass, opgeschriwwen ze ginn

Ënner dësen Agar-, Konzentratiouns- an Temperaturbedéngunge breet sech déi siichtbar Permanganatfront meeschtens méi séier aus wéi d'Methylenblofront. Dat ass domat vereinbar, datt Permanganat déi méi grouss effektiv Diffusivitéit huet, haaptsächlech well säin hydratiséiert Ion vill méi kleng ass an et net esou aggregéiert oder un Agar bind wéi Methylenblo. D'Molekularmass korreléiert hei mat deem Gréisstenënnerscheed, mee d'Mass eleng bestëmmt d'Diffusiounsvitesse a Flëssegkeeten oder Gelen net.

Eng Klass, déi dee Saz opschreift, huet zwou Saache geléiert: e Fakt iwwer zwee faarweg Ionen an d'Gewunnecht, ze froen, wat eng Demonstratioun moosst, éier een deem vertraut, wat se anscheinend seet.