Zilās pudeles eksperiments: ķīmija, procedūra un novērojumi

Uz laboratorijas galda stāv dzidra pudele. Tā izskatās tā, it kā tajā būtu ūdens. Kāds to sakrata, un šķidrums kļūst koši zils. Noliekot pudeli mierā, zilā krāsa minūtes vai divu laikā izzūd. Sakratiet to vēlreiz, un zilā krāsa atgriežas. Ar vienu uzpildījumu šo ciklu var atkārtot divdesmit reižu vai vairāk.

Skolēni parasti min, ka pudelē kaut kas bija paslēpts vai ka kratīšana sajauca divus slāņus. Abi minējumi pamācošā veidā izrādās nepareizi. Krāsu rada viena krāsviela — metilēnzilais —, kas atrodas visā šķidrumā. Mainās tas, cik daudz elektronu nes krāsviela. Demonstrējums padara redoksciklu redzamu, un katrs klasē novērojamais mainīgais — kratīšanas ilgums, temperatūra, koncentrācija — atbilst kādam ķīmiskā procesa faktoram.

Divas vienas un tās pašas krāsvielas formas

Oksidēts metilēnzilais ir plakana, pozitīvi lādēta gredzenu sistēma. Tas spēcīgi absorbē gaismu aptuveni 600 līdz 700 nanometru diapazonā, ko acs uztver kā tumši zilu krāsu. Abas formas un to spektri ir aplūkoti ceļvedī par metilēnzilā struktūru un īpašībām.

Reducēšanas laikā tiek pievienoti divi elektroni un protons, veidojot leikometilēnzilo: nelādētu, neplanāru un faktiski bezkrāsainu vielu. Sārmainā šķīdumā pusreakcija ir MB+ + H2O + 2 e- ⇌ LMB + OH-. Šis posms ir pilnībā atgriezenisks. Zila krāsa nozīmē oksidētu formu, bezkrāsaina — reducētu formu, un nav trešā stāvokļa, kam būtu jāseko līdzi. Tieši tāpēc šis ir pārskatāms pirmais piemērs redoksķīmijas apguvei.

Cikls: glikoze reducē, skābeklis atkārtoti oksidē

Pudelē ir trīs darbīgās sastāvdaļas: metilēnzilais, glikoze un stiprs sārms — kālija vai nātrija hidroksīds. Sārms veicina glikozes pāreju reaktīvās deprotonētās formās, kas nodod elektronus krāsvielai:

reducējošais cukurs + MB (zils, oksidēts) -> oksidēti cukura produkti + LMB (bezkrāsains)

Šis lēnais posms izraisa krāsas izzušanu, kamēr pudele stāv mierā. Glikoze ir patērējamais elektronu donors un reakcijas gaitā tiek izlietota. Krāsviela tikai pārnes elektronus, tāpēc visai pudelei pietiek ar dažiem pilieniem. Vecākos mācību materiālos teikts, ka glikoze pārvēršas glikonskābē. Šāds vienkāršojums ļauj paredzēt novērojumus, taču pasniedzējiem jāzina, ka tas nav pilnīgs: Royal Society Open Science publicētā mehānistiskā analīze izseko oksidēšanas procesam caur reaktīvu enediolātu līdz dikarbonilsavienojumam, kas sadalās mazākās skābēs.

Kratīšana redzamo rezultātu apvērš. Maisīšana izšķīdina šķidrumā skābekli no pudelē ieslēgtā gaisa virs šķidruma, un skābeklis atkārtoti oksidē reducēto krāsvielu:

LMB (bezkrāsains) + O2 -> MB (zils) + reducēti skābekļa produkti

Atstājot pudeli mierā, izšķīdušais skābeklis izsīkst, glikoze atkal reducē krāsvielu, un krāsa izbalē. Daudzu ciklu laikā kopējais ķīmiskais process ir cukura oksidēšana ar gaisa skābekli, kamēr krāsviela nemainīgi ciklē kā redoksmediators. Tā ir mediators, nevis katalizators šaurā nozīmē, jo cukura oksidēšana notiek arī bez tās, un krāsas izzušana nav sadalīšanās: iznīcinātu krāsvielu kratīšana nevarētu atjaunot. Par krāsvielas izejšķīdumu stabilu uzglabāšanu starp demonstrējumiem skatiet piezīmes par metilēnzilā šķīdumu lietošanu un uzglabāšanu.

Procedūra uzraudzītam demonstrējumam

Šis ir uzraudzīts demonstrējums, nevis mājas eksperiments. Strādājot ar sārmu, nepieciešama acu aizsardzība, cimdi un pasniedzējs, kurš atbild par sagatavošanu un sakopšanu. Divi dokumentēti sastāvi pēc būtības ir vienādi, bet atšķiras pēc mēroga.

Instrukcijā, kas pievienota Indiānas Universitātes ķīmijas nodaļas publicētajam demonstrējumam, izmanto aptuveni 5 procentu kālija hidroksīdu, 4 procentu glikozi un 1 procenta metilēnzilā ūdens šķīdumu. Ielejiet vienādus tilpumus sārma un glikozes šķīduma caurspīdīgā 250 vai 500 mililitru pudelē, līdz tā ir līdz pusei pilna, pārējo tilpumu atstājot gaisam. Pievienojiet dažus pilienus krāsvielas, aizveriet pudeli, noblīvējiet savienojuma vietu un ļaujiet tai stāvēt, līdz zilā krāsa izzūd. Royal Society of Chemistry procedūrā tā pati ideja pielāgota 1 litra kolbai ar aizbāzni: 300 mililitri ūdens, 10 grami glikozes, 8 grami kālija hidroksīda (vai 6 grami nātrija hidroksīda), kā arī daži mililitri atšķaidīta krāsvielas izejšķīduma.

Lai veiktu demonstrējumu, enerģiski sakratiet kolbu. Pilnīgi zila krāsa izveidojas dažu sekunžu laikā. Nolieciet kolbu un izmēriet krāsas izzušanas laiku. Royal Society of Chemistry norāda, ka ar vienu uzpildījumu iespējami vairāk nekā divdesmit cikli. Nekad nepiepildiet pudeli līdz malām: bez ieslēgta gaisa nav skābekļa rezerves, kas varētu izšķīst šķidrumā.

Ko novērot un kas maina procesa ilgumu

Izmēriet trīs lietas: kratīšanas ilgumu līdz pilnīgi zilai krāsai (sekundēs), stāvēšanas laiku līdz bezkrāsainam stāvoklim (līdz dažām minūtēm) un ciklu skaitu, pirms zilā krāsa sāk kļūt vājāka. Katra izbalēšanas cikla beigās vērojiet šķidruma virsmu. Pie saskares robežas ar gaisu bieži saglabājas plāns zils slānis, jo tur turpina difundēt skābeklis. Šī līnija padara difūziju redzamu.

Zilās pudeles reakcija atbilst empīriskajam ātruma likumam, kas norādīts kopā ar Royal Society of Chemistry procedūru: rate = k[MB oxidised][glucose]OH-. Katrs šī vienādojuma loceklis var kļūt par eksperimentu klasē. Lielāks glikozes, sārma vai krāsvielas daudzums saīsina zilās krāsas saglabāšanās laiku. Siltums paātrina izbalēšanu; aukstā kolbā process kļūst gauss. Intensīvāka kratīšana izšķīdina vairāk skābekļa, tāpēc zilā krāsa saglabājas ilgāk. Lielāka gaisa telpa pagarina eksperimenta darbības laiku. Kad cikli beidzot kļūst vājāki un šķidrums iegūst dzeltenīgu nokrāsu, cukurs ir izlietots un ir uzkrājušies blakusprodukti. Arī šo beigu punktu ir vērts reģistrēt kā rezultātu.

Novērojumu darba lapa

Pārrakstiet šo tabulu piezīmju grāmatās, katram mēģinājumam paredzot vienu rindu. Šī darba lapa kopā ar iepriekš redzamo reakcijas diagrammu ir šī raksta izdrukājamie materiāli.

Prognozēšanas jautājumi, uz kuriem jāatbild pirms katra mēģinājuma:

• Pudele uzreiz pēc kratīšanas ir zila. Kura krāsvielas forma dominē, un kas izraisīja tās veidošanos?
• Pudele stāv mierā, un krāsa izbalē. Kura reakcija dominē, un kura sastāvdaļa tiek patērēta?
• Pēc daudziem cikliem zilā krāsa kļūst blāva un dzeltenīga. Ar ko to var atjaunot — krāsvielu, sārmu vai glikozi — un kāpēc?
• Uzzīmējiet krāsas izmaiņas laikā viena cikla gaitā. Atzīmējiet, kurā brīdī skābeklis nonāk šķīdumā.

Pasniedzēja atbildes: (1) oksidēts metilēnzilais, ko atkārtoti oksidē izšķīdušais skābeklis no gaisa telpas; (2) reducēšana ar glikozi, glikoze tiek patērēta; (3) glikoze, ierobežojošais donors, jo krāsviela ciklē nemainīta; (4) straujš kāpums kratīšanas laikā, pakāpenisks kritums stāvot mierā, skābeklis šķīdumā nonāk tikai kāpuma laikā.

Radniecīgi demonstrējumi, kurus vērts nosaukt

Luksofora demonstrējumā izmanto indigokarmīnu, un oksigenēšanas laikā krāsa secīgi mainās no dzeltenas uz sarkanu un zaļu. Nosaukumu zaļā pudele lieto brīvi: dažreiz tas apzīmē šo variantu, citreiz zaļākas formulas, piemēram, sistēmas ar askorbīnskābi vai American Chemical Society aprakstītu enzīmatisku ciklisku sistēmu. Nosauciet tieši to variantu, kas atrodas uz laboratorijas galda, lai skolēni nesajauktu dažādu ķīmisko sistēmu novērojumus.

Drošība un apiešanās

Nepieciešama nepārtraukta uzraudzība. Rīkojoties ar sārmaino šķīdumu vai kratot aizkorķēto trauku, jālieto aizsargbrilles pret ķīmisko vielu šļakatām un cimdi. Sārms izraisa ķīmiskus apdegumus, krāsviela iekrāso ādu un audumu, bet etanolā pagatavoti krāsvielas izejšķīdumi laboratorijā papildus rada uzliesmojoša šķīdinātāja risku. Kratīšanas laikā traukam jābūt aizkorķētam. Pēc tam izlietotos šķīdumus saglabājiet turpmākai apsaimniekošanai atbilstoši savas iestādes laboratorijas noteikumiem. Prasības sārmainiem, krāsvielu saturošiem atkritumiem dažādās iestādēs un jurisdikcijās atšķiras, tāpēc ievērojiet savas laboratorijas noteikto procedūru, nevis pārņemiet to no cita avota.

Ja krāsu izmaiņu vietā nepieciešami skaitliski dati, kvantitatīvās metilēnzilā analīzes turpina darbu tur, kur šis demonstrējums beidzas.

Kāpēc skolotāji turpina izmantot šo pudeli

Viena kolba apvieno četras idejas. Redokss kļūst par krāsu, nevis tikai definīciju. Mediators parāda, kā niecīgs vienas vielas daudzums var ziņot par daudz lielāku citas vielas daudzumu. Kinētika redzami nošķiras no termodinamikas: skābeklis dominē, kamēr kratīšana to piegādā, bet glikoze dominē, kad šī piegāde apstājas. Un difūzija — viens no klusākajiem procesiem ķīmijā — nodrošina visu demonstrējumu, jo katrs zilās krāsas uzplaiksnījums sākas ar skābekļa pāreju no gaisa ūdenī. Demonstrējums, kas ļauj skolēniem to visu paredzēt, izmērīt un izskaidrot, izmantojot tikai hronometru un tabulu, ir pelnījis savu vietu uz laboratorijas galda.