Дифузија на метиленско сино и перманганат: што покажува експериментот со агар

Наставник прави две јамички во агарна плоча, едната ја полни со сина боја, а другата со виолетов раствор и им вели на учениците да набљудуваат. Еден час подоцна, виолетовиот прстен е поширок. Учениците запишуваат дека калиум перманганатот дифундира побрзо од метиленското сино затоа што е полесен.

Таа реченица е делумно точна, а делумно наведува на погрешен заклучок, и токму вториот дел е интересен. Демонстрацијата е стандардна лекција за дифузија, опишана, на пример, во оваа лабораториска вежба за дифузија во агар, но учениците не го гледаат дејството на молекулската маса. Тие гледаат како видлива граница на бојата се движи низ гел, под влијание на големината на јоните, хидратацијата, врзувањето на бојата, концентрацијата, температурата и начинот на мерење на границата.

Обоената граница не е коефициентот на дифузија

Дифузијата е ширење на растворени честички од подрачје со висока концентрација кон подрачје со ниска концентрација. Коефициентот на дифузија, обично означен со D, опишува колку брзо се одвива тоа ширење за одредена растворена супстанција во одредена средина при одредена температура.

Плочата во училницата не го прикажува D директно. Таа покажува граница каде што бојата станува премногу бледа за да се види. Таа граница зависи од апсорптивноста на бојата, осветлувањето, експозицијата на камерата, концентрацијата внесена во јамичката и проценката на лицето што го држи линијарот, како и од самата дифузија.

Наречете го мерењето во училницата она што навистина е: движење на видлив дифузиски фронт. Формалните пристапи го поврзуваат средното квадратно поместување со D преку релации од обликот што се среќава во анализата на Фикова дифузија, но за да се одреди D со приспособување на податоците, потребни се профили на концентрацијата со текот на времето, а не еден дијаметар на крајот од часот. Една објавена студија спроведена во училница утврди коефициент на дифузија на метиленско сино во гел близу 4.5 пати 10^-10 m^2/s, со графичко прикажување на квадратот на растојанието во зависност од времето, наместо со споредување на конечните големини на обоените дамки. Една единствена снимка не може да го даде тој резултат.

Ова е концептот зад демонстрацијата, а сè друго е детал за тоа колку верно плочата го претставува.

Два обоени јони, а не две молекули

Ниту една од растворените супстанции не се движи низ агарот во обликот на формулата отпечатена на шишето. И двете се силни електролити што дисоцираат во вода.

Калиум перманганатот (KMnO4, формулска маса околу 158.03 g/mol) се разделува на калиумови јони и перманганатни јони. Виолетовата честичка што се движи е перманганатниот јон MnO4^-, со маса околу 118.94 g/mol, опкружен со обвивка од вода. Хлоридот на метиленско сино (безводна сол C16H18ClN3S, околу 319.85 g/mol) се разделува на хлориден јон и синиот органски катјон MB^+, со маса околу 284.41 g/mol, исто така хидратиран. Записот на NIST за метиленско сино и записот на ChEBI за метиленско сино ги документираат овие облици, а референтната статија за хемијата и структурата објаснува зошто катјонот, безводната сол и хидратите треба да имаат посебни називи.

Од ова произлегуваат три последици.

Прво, споредувањето на 158 со 320 ја потценува вистинската разлика во големината меѓу обоените јони, бидејќи виолетовиот јон со околу 119 g/mol е многу помал од синиот катјон со околу 284 g/mol, а и двата имаат хидратациски обвивки што ја зголемуваат нивната ефективна големина.

Второ, катјоните на метиленско сино се врзуваат за други материјали. Со зголемувањето на концентрацијата формираат димери и поголеми агрегати и се адсорбираат на агарот; врзување и на мономери и на димери е забележано во студии за адсорпција на агар. Адсорбираната боја останува неподвижна. Таа го обојува гелот без да го придвижува фронтот.

Трето, вообичаениот реагенс во прав е хидрат, па измерен грам содржи вода во кристалот. Споредбата меѓу трихидратната и безводната форма покажува како тоа ја менува моларноста. За правична споредба во училницата, подгответе раствори со еднакви моларни концентрации на солите и забележете која цврста форма е употребена.

Зошто полесно тука не значи побрзо

Во разредени течности, подобар почетен модел од масата е моделот на Стокс-Ајнштајн, во кој коефициентот на дифузија е пропорционален на температурата поделена со вискозноста и хидродинамичкиот радиус. Помалата хидратирана големина значи побрзо ширење. Помалата маса често е поврзана со помала големина во рамките на едно хемиско семејство, па помалата тежина може да изгледа како објаснување. Тоа е корелација, а не механизам.

Греамовиот закон, според кој брзините на ефузија на гасовите се пропорционални на обратната вредност од квадратниот корен на моларната маса, не важи за оваа плоча. Неговото изведување припаѓа на кинетичката теорија на гасовите, сумирана во овој преглед на OpenStax за ефузија и дифузија на гасови. Во течностите се јавуваат и вискозен отпор, хидратација, ефекти од обликот и згуснатост на честичките. Геловите дополнително внесуваат структура на порите, извиеност на патеките, адсорпција и интеракции на полнежите со полимерот.

Бројките ја откриваат разликата. Греамовиот закон применет на 158 наспроти 320 предвидува сооднос на брзините од околу 1.42. Измерените коефициенти на дифузија во разредени водни раствори покажуваат нешто друго: за перманганатот се близу 1.6 до 1.8 пати 10^-9 m^2/s, наспроти околу 4.5 до 5 пати 10^-10 m^2/s за метиленското сино, односно сооднос поблизок до 3 или 4. Масата сама по себе не може да го објасни тој сооднос. Остатокот се должи на хидратираната големина, агрегацијата и врзувањето за гелот.

Третирајте го тврдењето „полесно значи побрзо“ како модел со претпоставки: сферични честички, без врзување, без агрегација и идентични услови. Плочата не исполнува најмалку две од нив.

Како да се направи правична споредба

Демонстрацијата потфрла на ист начин како софтверот: основната идеја е добра, но преминот од идеја до мерење е полн со замки. Секоја од нив го менува одговорот без да промени ниту едно молекулско својство.

Користете една серија агар излеана со еднаква дебелина, ист алат за правење јамички, еднакви волумени течност, еднакви моларни концентрации и доволно ниски концентрации за да се ограничи агрегацијата на метиленското сино и бојата да не биде заситена. Направете најмалку три повторувања со јамички за секоја растворена супстанција, на растојание што спречува фронтовите да се сретнат. Покријте ги садовите, држете ги хоризонтално и одржувајте постојана температура, бидејќи испитувањата со бои во агар покажуваат изразена зависност од температурата и концентрацијата. Дефинирајте го почетното време како моментот на полнење и дефинирајте ја границата пред мерењето: фиксен праг на фотографијата е подобар од граница проценета со око, бидејќи сината и виолетовата боја имаат различни прагови на визуелно забележување. Забележете два меѓусебно нормални дијаметри за секоја дамка и пресметајте го средниот радиус, бидејќи мешањето на радиусот со дијаметарот го искривува секој график на квадратот на растојанието за фактор четири.

Ознаки: левиот панел го прикажува радиусот гледан одозгора, измерен од работ на јамичката до границата на бојата за секој фронт; десниот панел го прикажува пресекот на агарот со длабочината на јамичката и ореолите со градиент насочен нанадвор; легендата ги наведува контролираните променливи (процент на агар, дебелина, моларност на бојата, волумен, големина на јамичката, температура, почетно време, осветлување).

Внимавајте на појави што личат на дифузија. Течноста што се разлева по површината на агарот изгледа како брза дифузија и е документиран артефакт кај мали јамички во агар. Перманганатот е силен оксиданс и може да се троши во реакција со траги од органски материјал, што го запира или го обезбојува неговиот фронт. Метиленското сино е редокс-активно и може да избледи под светлина или во редукциски услови; редокс-хемијата на метиленското сино и неговата безбојна редуцирана форма го објаснува тоа однесување.

Кратка забелешка за растворувачот: двете јамички во стандардната демонстрација содржат водни раствори. Ако во некој протокол се менува растворувачот, прво проверете го водичот за растворливост и подготовка на раствори, бидејќи растворливоста и агрегацијата се менуваат со средината.

Работен лист за набљудување во училницата

Препишете ја оваа табела во тетратките или отпечатете по еден ред за секоја јамичка. Една табела за секој сад овозможува уредно евидентирање на повторувањата.

За анализата, прикажете го квадратот на средниот радиус во зависност од изминатото време за секоја јамичка и споредете ги наклоните, наведувајќи ја дефиницијата на границата покрај графикот. Ако се прикажат сите шест криви со нивните меѓусебни отстапувања, учениците ќе ја гледаат варијабилноста како податок, а не како нешто за срамење.

Безбедноста е дел од протоколот: носете ракавици и заштита за очите, бидејќи метиленското сино остава дамки на кожата и облеката, а перманганатот е оксиданс што остава дамки и предизвикува иритација. Не дозволувајте растворите да дојдат во устата, работете над послужавник и отстранете ги плочите и течностите според училишната постапка за хемиски отпад, наместо да ги истурате во мијалникот.

Реченицата што вреди да се запише

При овие услови на агар, концентрација и температура, видливиот фронт на перманганатот обично се шири побрзо од фронтот на метиленското сино. Тоа е во согласност со поголемиот ефективен коефициент на дифузија на перманганатот, главно затоа што неговиот хидратиран јон е многу помал и не се агрегира ниту се врзува за агарот како метиленското сино. Молекулската маса тука е поврзана со таа разлика во големината, но масата сама по себе не ги одредува брзините на дифузија во течности или гелови.

Учениците што ќе ја запишат таа реченица научиле две работи: еден факт за два обоени јони и навика да прашуваат што мери една демонстрација пред да поверуваат во она што навидум го покажува.