Експериментот со сино шише: хемија, постапка и набљудувања

На лабораториската маса стои проѕирно шише. Изгледа како да содржи вода. Некој го протресува и течноста станува интензивно сина. Кога ќе се остави, сината боја исчезнува во рок од една или две минути. Повторно протресете го и сината боја се враќа. Со едно полнење ова може да се повтори дваесет или повеќе пати.

Учениците обично претпоставуваат дека нешто било скриено во шишето или дека протресувањето измешало два слоја. И двете претпоставки се покажуваат како погрешни на поучен начин. Бојата доаѓа од една единствена боја, метиленско сино, присутна низ целата течност. Она што се менува е бројот на електрони што ги носи бојата. Демонстрацијата е видлив редокс-циклус, а секоја променлива што учениците можат да ја забележат — времето на протресување, температурата, концентрацијата — одговара на одреден фактор во хемијата на процесот.

Две форми на истата боја

Оксидираното метиленско сино е рамен, позитивно наелектризиран прстенест систем. Силно апсорбира околу 600 to 700 nanometres, што окото го восприема како темносина боја. Двете форми и нивните спектри се опфатени во водичот за структурата и својствата на метиленското сино.

Со редукција се додаваат два електрони и еден протон, при што се добива леукометиленско сино: ненаелектризирано, непланарно и практично безбојно. Во алкален раствор полуреакцијата гласи MB+ + H2O + 2 e- ⇌ LMB + OH-. Чекорот е целосно реверзибилен. Сино значи оксидирано, безбојно значи редуцирано, а нема трета состојба што треба да се следи, поради што ова е јасен прв пример за запознавање со редокс-хемијата.

Циклусот: глукозата редуцира, кислородот повторно оксидира

Шишето содржи три активни состојки: метиленско сино, глукоза и силна алкалија, калиум хидроксид или натриум хидроксид. Алкалијата ја претвора глукозата во реактивни депротонирани форми што ѝ донираат електрони на бојата:

редуцирачки шеќер + MB (сино, оксидирано) -> оксидирани производи од шеќер + LMB (безбојно)

Овој бавен чекор ја отстранува бојата додека шишето мирува. Глукозата е жртвен донор и се троши. Бојата само пренесува електрони, па неколку капки се доволни за цело шише. Постарите објаснувања за училница наведуваат дека глукозата се претвора во глуконска киселина. Тоа поедноставување ги предвидува набљудувањата, но наставниците треба да знаат дека е нецелосно: механистичка анализа објавена во Royal Society Open Science ја следи оксидацијата преку реактивен енедиолат до дикарбонил што се разложува на помали киселини.

Протресувањето го менува видливиот исход. Со мешањето се раствора кислород од воздухот заробен во слободниот простор над течноста, а кислородот повторно ја оксидира редуцираната боја:

LMB (безбојно) + O2 -> MB (сино) + редуцирани производи на кислород

Кога шишето мирува, растворениот кислород се троши, глукозата повторно ја редуцира бојата и сината боја избледува. Во текот на многу циклуси, нето-хемијата е оксидација на шеќерот со воздух, додека бојата непроменето кружи како редокс-медијатор. Таа е медијатор, а не строг катализатор, бидејќи оксидацијата на шеќерот се одвива и без неа, а избледувањето не е разградување: уништена боја не би можела повторно да се врати со протресување. За стабилно чување на растворите на бојата меѓу демонстрациите, видете ги белешките за ракување и складирање раствори на метиленско сино.

Постапка за демонстрација под надзор

Ова е демонстрација под надзор, а не активност за дома. Алкалијата бара заштита за очи, ракавици и наставник кој е одговорен за подготовката и расчистувањето. Две документирани формулации имаат иста структура, но се разликуваат по размер.

Упатството за демонстрацијата објавена од одделот за хемија на Indiana University користи приближно 5 percent калиум хидроксид, 4 percent глукоза и 1 percent воден раствор на метиленско сино. Истурете еднакви волумени од растворите на алкалија и глукоза во проѕирно шише од 250 or 500 millilitre додека не се наполни до половина, а остатокот оставете го како воздушен простор. Додајте неколку капки боја, затворете го шишето, запечатете го спојот и оставете го да мирува додека сината боја не исчезне. Постапката на Royal Society of Chemistry го применува истиот принцип во затворена колба од 1 litre: 300 millilitres вода, 10 grams глукоза, 8 grams калиум хидроксид (или 6 grams натриум хидроксид), плус неколку millilitres разреден основен раствор на бојата.

За изведување, протресете силно. Целосната сина боја се развива за неколку секунди. Оставете ја колбата и измерете го времето на избледување. Royal Society of Chemistry наведува повеќе од дваесет циклуси по едно полнење. Никогаш не полнете го шишето до врв: без заробен воздух нема резерва на кислород што може да се раствори.

Што да се набљудува и што го менува времетраењето

Измерете три работи: протресување до целосно сина боја (секунди), мирување до безбојна состојба (до неколку минути) и бројот на циклуси пред сината боја да ослаби. При крајот на секое избледување, набљудувајте ја површината. Тенок син слој често останува на границата со воздухот, каде што кислородот продолжува да дифундира. Таа линија е видлива дифузија.

Реакцијата на синото шише го следи емпирискиот закон за брзина наведен во постапката на Royal Society of Chemistry: rate = k[MB oxidised][glucose]OH-. Секој член претставува можност за експеримент во училница. Повеќе глукоза, алкалија или боја го скратува периодот во кој растворот останува син. Повисоката температура го забрзува избледувањето; студената колба реагира побавно. Посилното протресување раствора повеќе кислород, па сината боја трае подолго. Поголем воздушен простор го продолжува вкупното траење на циклусите. Кога циклусите конечно ќе ослабат и течноста ќе пожолти, шеќерот е потрошен и се наталожиле споредни производи. И таа крајна точка е резултат што вреди да се забележи.

Работен лист за набљудување

Препишете ја оваа табела во тетратките, по еден ред за секој обид. Овој работен лист, заедно со дијаграмот на реакцијата погоре, се материјалите за печатење за оваа статија.

Прашања за предвидување, на кои се одговара пред секој обид:

• Шишето е сино веднаш по протресувањето. Која форма на бојата преовладува и што ја довело во таа состојба?
• Шишето мирува и бојата избледува. Која реакција преовладува и која состојка се троши?
• По многу циклуси сината боја станува бледа и жолтеникава. Дали треба да се обнови со боја, алкалија или глукоза, и зошто?
• Нацртајте ја бојата во зависност од времето за еден циклус. Означете каде кислородот влегува во растворот.

Одговори за наставникот: (1) оксидирано метиленско сино, повторно оксидирано од растворениот кислород од воздушниот простор; (2) редукција со глукоза, при што глукозата се троши; (3) глукоза, ограничувачкиот донор, бидејќи бојата кружи непроменета; (4) нагло зголемување при протресување, постепено намалување при мирување, влегување на кислород само за време на зголемувањето.

Блиски сродни демонстрации што вреди да се именуваат

Демонстрацијата „семафор“ користи индиго кармин и со оксигенација преминува низ жолта, црвена и зелена боја. Називот „зелено шише“ се користи прилично лабаво: понекогаш за таа варијанта, а понекогаш за позелени формулации, како системи со аскорбинска киселина или ензимски цикличен систем опишан од American Chemical Society. Именувајте ја конкретната варијанта што се користи на лабораториската маса, за учениците да не ги мешаат набљудувањата од различни хемиски системи.

Безбедност и ракување

Потребен е постојан надзор. Користете заштита за очи од хемиски прскања и ракавици при ракување со алкалниот раствор или при протресување на затворениот сад. Алкалијата предизвикува изгореници, бојата остава дамки на кожата и ткаенината, а растворите на бојата подготвени во етанол внесуваат и запалив растворувач на лабораториската маса. Садот треба да остане затворен при протресување. Потоа, задржете ги искористените раствори за постапување според лабораториските правила на вашата институција. Барањата за алкален отпад што содржи боја се разликуваат меѓу институциите и правните јурисдикции, затоа следете ја постапката на вашата лабораторија наместо да преземате постапка од друг извор.

Ако наместо промени на бојата сакате бројчени податоци, квантитативните анализи за метиленско сино продолжуваат таму каде што завршува оваа демонстрација.

Зошто наставниците продолжуваат да го користат ова шише

Една колба обединува четири идеи. Редоксот станува боја наместо дефиниција. Медијаторот покажува како трага од една супстанција може да известува за големо количество од друга. Кинетиката видливо се одвојува од термодинамиката: кислородот преовладува додека протресувањето го снабдува растворот со него, а глукозата преовладува кога снабдувањето ќе престане. А дифузијата, најтивкиот процес во хемијата, ја овозможува целата демонстрација, бидејќи секое појавување на сината боја започнува со преминување на кислородот од воздухот во водата. Демонстрација што им овозможува на учениците да го предвидат, измерат и објаснат сето тоа со стоперка и табела го заслужува своето место на лабораториската маса.