Metilēnzilā un permanganāta difūzija: ko parāda eksperiments ar agaru

Skolotājs agara plāksnē izgriež divas iedobes, vienu piepilda ar zilu krāsvielu, otru — ar violetu šķīdumu, un aicina klasi vērot. Pēc stundas violetais gredzens ir platāks. Skolēni pieraksta, ka kālija permanganāts difundē ātrāk nekā metilēnzilais, jo tas ir vieglāks.

Šis teikums ir pa pusei pareizs un pa pusei maldinošs, un tieši maldinošā puse ir interesantākā. Šis demonstrējums ir ierasts difūzijas mācību piemērs, kas aprakstīts, piemēram, šajā laboratorijas darbā par difūziju agarā, taču skolēni neredz molekulmasas tiešu iedarbību. Viņi redz redzamas krāsas robežas pārvietošanos caur gelu, ko ietekmē jonu izmērs, hidratācija, krāsvielas saistīšanās, koncentrācija, temperatūra un robežas mērīšanas veids.

Krāsainā robeža nav difūzijas koeficients

Difūzija ir izšķīdušu daļiņu izplatīšanās no apgabala ar augstu koncentrāciju uz apgabalu ar zemu koncentrāciju. Difūzijas koeficients, ko parasti apzīmē ar D, raksturo, cik ātri noteikta izšķīdusī viela izplatās noteiktā vidē un temperatūrā.

Mācību stundā izmantotā plāksne tieši neparāda D. Tā parāda robežu, aiz kuras krāsa kļūst pārāk blāva, lai to saskatītu. Šī robeža ir atkarīga ne tikai no pašas difūzijas, bet arī no krāsvielas gaismas absorbcijas spējas, apgaismojuma, kameras ekspozīcijas, iedobē iepildītās vielas koncentrācijas un tā cilvēka sprieduma, kurš tur lineālu.

Sauciet stundā veikto mērījumu īstajā vārdā: redzamās difūzijas frontes pārvietošanās. Formālie apraksti saista vidējo kvadrātisko pārvietojumu ar D, izmantojot tāda veida sakarības, kādas atrodamas Fika difūzijas analīzē, taču D noteikšanai vajadzīgi koncentrācijas profili laika gaitā, nevis viens diametra mērījums stundas beigās. Vienā publicētā mācību pētījumā metilēnzilā difūzijas koeficients gelā tika noteikts ap 4.5 reiz 10^-10 m^2/s, attēlojot attāluma kvadrāta atkarību no laika, nevis salīdzinot plankumu galīgos izmērus. Viens momentuzņēmums šādu rezultātu nevar dot.

Tā ir demonstrējuma pamatideja, un viss pārējais ir detaļas par to, cik precīzi plāksne šo ideju atspoguļo.

Divi krāsaini joni, nevis divas molekulas

Neviena no izšķīdušajām vielām nepārvietojas caur agaru tādā formā, kādu attēlo uz pudeles uzdrukātā formula. Abas ir stipri elektrolīti, kas ūdenī disociē.

Kālija permanganāts (KMnO4, formulas masa ap 158.03 g/mol) sadalās kālija jonos un permanganāta jonos. Violetā daļiņa, kas pārvietojas, ir permanganāta jons MnO4^- ar masu ap 118.94 g/mol, ko ieskauj ūdens apvalks. Metilēnzilā hlorīds (bezūdens sāls C16H18ClN3S, ap 319.85 g/mol) sadalās hlorīdjonā un zilajā organiskajā katjonā MB^+ ar masu ap 284.41 g/mol, kas arī ir hidratēts. Šīs formas ir dokumentētas NIST ierakstā par metilēnzilo un ChEBI ierakstā par metilēnzilo, savukārt materiāls par ķīmiju un struktūru izskaidro, kāpēc katjonam, bezūdens sālim un hidrātiem vajadzīgi atsevišķi nosaukumi.

No tā izriet trīs secinājumi.

Pirmkārt, salīdzinot 158 ar 320, tiek nepietiekami novērtēta krāsaino jonu faktiskā izmēru atšķirība, jo violetā daļiņa ar aptuveni 119 g/mol ir daudz mazāka nekā zilais katjons ar aptuveni 284 g/mol, turklāt abiem ir hidratācijas apvalki, kas palielina efektīvo izmēru.

Otrkārt, metilēnzilā katjoni piesaistās dažādām virsmām. Palielinoties koncentrācijai, tie veido dimērus un lielākus agregātus, kā arī adsorbējas uz agara; agaram veltītos adsorbcijas pētījumos ir ziņots gan par monomēru, gan dimēru saistīšanos. Adsorbētā krāsviela paliek uz vietas. Tā iekrāso gelu, bet nevirza fronti uz priekšu.

Treškārt, parasti izmantotais reaģenta pulveris ir hidrāts, tāpēc nosvērtā gramā ir arī kristālā ietverts ūdens. Trihidrāta un bezūdens formas salīdzinājums parāda, kā tas maina molāro koncentrāciju. Lai mācību stundā salīdzinājums būtu korekts, sagatavojiet šķīdumus ar vienādu sāļu molāro koncentrāciju un pierakstiet, kura cietās vielas forma tika izmantota.

Kāpēc vieglāks šeit nenozīmē ātrāks

Atšķaidītos šķīdumos labāks sākotnējais modelis par masu ir Stoksa–Einšteina apraksts, kurā difūzijas koeficients ir proporcionāls temperatūrai un apgriezti proporcionāls viskozitātei un hidrodinamiskajam rādiusam. Priekšrocība ir mazākam hidratētās daļiņas izmēram. Vienas ķīmiskās saimes ietvaros mazāka masa bieži korelē ar mazāku izmēru, tāpēc mazāka masa var šķist kā izskaidrojums. Tā ir korelācija, nevis mehānisms.

Grehema likums, kas nosaka, ka gāzu efūzijas ātrums ir apgriezti proporcionāls molmasas kvadrātsaknei, šo plāksni neapraksta. Tā atvasinājums pieder pie gāzu kinētiskās teorijas, kas apkopota šajā OpenStax materiālā par gāzu efūziju un difūziju. Šķidrumos jāņem vērā arī viskozā pretestība, hidratācija, formas ietekme un daļiņu savstarpējā traucēšana. Gelos papildus nozīme ir poru struktūrai, pārvietošanās ceļu līkumainībai, adsorbcijai un lādiņu mijiedarbībai ar polimēru.

Skaitļi atklāj šo neatbilstību. Piemērojot Grehema likumu 158 un 320 salīdzinājumam, iegūst paredzamo ātrumu attiecību ap 1.42. Izmērītie difūzijas koeficienti atšķaidītos ūdens šķīdumos rāda citu ainu: permanganātam ap 1.6 līdz 1.8 reiz 10^-9 m^2/s, bet metilēnzilajam ap 4.5 līdz 5 reiz 10^-10 m^2/s; attiecība ir tuvāka 3 vai 4. Ar masu vien šo attiecību nevar izskaidrot. Pārējo nosaka hidratētās daļiņas izmērs, agregācija un saistīšanās ar gelu.

Uztveriet principu «vieglāks — ātrāks» kā modeli ar pieņēmumiem: sfēriskas daļiņas, nav saistīšanās, nav agregācijas, vienādi apstākļi. Plāksnē vismaz divi no šiem pieņēmumiem neizpildās.

Kā veikt korektu salīdzinājumu

Demonstrējums izgāžas līdzīgi kā programmatūra: pamatideja ir pareiza, bet ceļš no idejas līdz mērījumam ir pilns ar slazdiem. Katrs no tiem maina rezultātu, nemainot nevienu molekulāro īpašību.

Izmantojiet vienu agara partiju, kas ielieta vienādā biezumā, vienu iedobju izgriezēju, vienādus šķidruma tilpumus, vienādas molārās koncentrācijas un pietiekami zemas koncentrācijas, lai ierobežotu metilēnzilā agregāciju un krāsa nebūtu pārsātināta. Katrai izšķīdušajai vielai izgrieziet vismaz trīs atkārtojumu iedobes, novietojot tās tā, lai frontes nekad nesaskartos. Nosedziet traukus, turiet tos horizontāli un uzturiet nemainīgu temperatūru, jo darbi par krāsvielām agarā rāda izteiktu atkarību no temperatūras un koncentrācijas. Par nulles laiku nosakiet iepildīšanas brīdi un pirms mērīšanas definējiet robežu: fiksēts slieksnis fotogrāfijā ir labāks par vizuāli novērtētu robežu, jo zilajai un violetajai krāsai ir atšķirīgas vizuālās uztveršanas robežas. Katram plankumam pierakstiet divus savstarpēji perpendikulārus diametrus un pārrēķiniet tos vidējā rādiusā, jo rādiusa sajaukšana ar diametru jebkurā attāluma kvadrāta grafikā rada četrkārtīgu kļūdu.

Apzīmējumi: kreisajā daļā skatā no augšas katrai frontei parādīts rādiuss, kas mērīts no iedobes malas līdz krāsas robežai; labajā daļā parādīts agara šķērsgriezums ar iedobes dziļumu un uz āru vērstām gradienta joslām; leģendā uzskaitīti kontrolētie mainīgie (agara procentuālais saturs, biezums, krāsvielas molārā koncentrācija, tilpums, iedobes izmērs, temperatūra, nulles laiks, apgaismojums).

Pievērsiet uzmanību maldinošām parādībām. Šķidruma izplūšana pa agara virsmu izskatās pēc ātras difūzijas un ir dokumentēts artefakts mazās agara iedobēs. Permanganāts ir spēcīgs oksidētājs, un organisko vielu pēdas to var patērēt, tādējādi apturot vai izbalinot tā fronti. Metilēnzilais ir redoksaktīvs un var izbalēt gaismas ietekmē vai reducējošos apstākļos; šo uzvedību izskaidro metilēnzilā un tā bezkrāsainās reducētās formas redoksķīmija.

Īsa piezīme par šķīdinātāju: standarta demonstrējumā abās iedobēs ir ūdens šķīdumi. Ja protokolā tiek mainīts šķīdinātājs, vispirms pārbaudiet ceļvedi par šķīdību un šķīdumu sagatavošanu, jo šķīdība un agregācija mainās atkarībā no vides.

Novērojumu darba lapa mācību stundai

Pārrakstiet šo tabulu burtnīcās vai izdrukājiet vienu rindu katrai iedobei. Atsevišķa tabula katram traukam palīdz korekti uzskaitīt atkārtojumus.

Analīzei katrai iedobei attēlojiet vidējā rādiusa kvadrāta atkarību no pagājušā laika un salīdziniet grafiku slīpumus, blakus grafikam norādot robežas definīciju. Ja parādītas visas sešas līknes un to izkliede, skolēni uztver variāciju kā datus, nevis kā apkaunojumu.

Drošība ir protokola daļa: valkājiet cimdus un acu aizsarglīdzekļus, jo metilēnzilais iekrāso ādu un apģērbu, bet permanganāts ir oksidētājs, kas iekrāso un kairina. Nepieļaujiet šķīdumu nonākšanu mutē, strādājiet virs paplātes un utilizējiet plāksnes un šķidrumus skolas ķīmisko atkritumu apsaimniekošanas kārtībā, nevis izlejiet tos izlietnē.

Teikums, kuru vērts pierakstīt

Šajos agara, koncentrācijas un temperatūras apstākļos redzamā permanganāta fronte parasti izplatās ātrāk nekā metilēnzilā fronte. Tas atbilst lielākam permanganāta efektīvajam difūzijas koeficientam, galvenokārt tāpēc, ka tā hidratētais jons ir daudz mazāks un tas neagregējas un nesaistās ar agaru tā, kā to dara metilēnzilais. Molekulmasa šeit korelē ar šo izmēru atšķirību, taču masa viena pati nenosaka difūzijas ātrumu šķidrumos vai gelos.

Klase, kas pieraksta šo teikumu, ir apguvusi divas lietas: faktu par diviem krāsainiem joniem un ieradumu jautāt, ko demonstrējums mēra, pirms uzticēties tam, ko tas šķietami rāda.