Метилений хөх ба перманганатын диффуз: агарын туршилт юу харуулдаг вэ

Багш агартай тавагт хоёр хонхор гаргаж, нэгийг нь хөх будагч бодисоор, нөгөөг нь нил ягаан уусмалаар дүүргээд сурагчдаас ажиглахыг хүснэ. Нэг цагийн дараа нил ягаан цагираг илүү өргөн болсон байна. Сурагчид калийн перманганат илүү хөнгөн учраас метилений хөхөөс хурдан диффузилдэг гэж тэмдэглэнэ.

Энэ өгүүлбэрийн тал нь зөв, тал нь төөрөгдүүлсэн бөгөөд төөрөгдүүлсэн тал нь л сонирхолтой. Энэ үзүүлэн нь диффузын түгээмэл хичээлийн нэг бөгөөд жишээлбэл, энэхүү агар дахь диффузын лабораторийн дасгалд тайлбарласан байдаг. Гэвч сурагчдын харж буй зүйл нь молекулын массын шууд нөлөө биш. Харин гель дундуур шилжиж буй харагдах өнгөний зааг бөгөөд үүнд ионы хэмжээ, гидратаци, будагч бодисын холбогдолт, концентраци, температур, мөн заагийг хэмжих арга нөлөөлдөг.

Өнгөт зааг нь диффузын коэффициент биш

Диффуз гэдэг нь ууссан бөөмс өндөр концентрацитай хэсгээс бага концентрацитай хэсэг рүү тархах явдал юм. Ихэвчлэн D гэж тэмдэглэдэг диффузын коэффициент нь тухайн ууссан бодис тодорхой орчин, температурт хэр хурдан тархахыг илэрхийлдэг.

Хичээлийн туршилтын таваг D-г шууд харуулахгүй. Харин өнгө нь харагдахааргүй бүдгэрэх заагийг харуулна. Энэ зааг нь диффузээс гадна будагч бодисын гэрэл шингээх чадвар, гэрэлтүүлэг, камерын өртөлт, хонхорт хийсэн уусмалын концентраци, шугам барьж буй хүний үнэлгээнээс хамаарна.

Хичээл дээр хэмжиж буй зүйлээ зөв нэрлэе: энэ бол харагдах диффузын фронтын шилжилт юм. Онолын нарийвчилсан тайлбаруудад дундаж квадрат шилжилтийг D-тэй Фикийн диффузын шинжилгээнд үзүүлсэн хэлбэрийн хамаарлаар холбодог. Гэвч D-г өгөгдөлд тохируулан тодорхойлоход хичээлийн төгсгөлд хэмжсэн ганц диаметр бус, хугацааны турш дахь концентрацийн тархалтын өгөгдөл шаардлагатай. Нийтлэгдсэн нэгэн хичээлийн судалгаанд эцсийн толбоны хэмжээг харьцуулахын оронд зайны квадратыг хугацаанаас хамааруулан графикт дүрсэлж, гель дэх метилений хөхийн диффузын коэффициентийг ойролцоогоор 4.5 үржих 10^-10 m^2/s гэж гаргасан. Ганц агшны зураг ийм мэдээлэл өгч чадахгүй.

Үзүүлэнгийн цаад ойлголт нь энэ бөгөөд бусад бүх зүйл нь таваг энэ ойлголтыг хэр үнэн зөв илэрхийлж байгаатай холбоотой нарийн асуудлууд юм.

Хоёр молекул биш, хоёр өнгөт ион

Аль ч ууссан бодис агарт шилэн саван дээр нь бичсэн томьёоны хэлбэрээр хөдөлдөггүй. Хоёулаа усанд диссоциацлагддаг хүчтэй электролит юм.

Калийн перманганат (KMnO4, томьёоны масс нь ойролцоогоор 158.03 g/mol) калийн ион болон перманганатын ион болж сална. Нил ягаан өнгөтэй хөдөлж буй бөөм нь усны молекулын бүрхүүлээр хүрээлэгдсэн, ойролцоогоор 118.94 g/mol масстай MnO4^- перманганатын ион юм. Метилений хөхийн хлорид (усгүй давс C16H18ClN3S, ойролцоогоор 319.85 g/mol) хлорид болон хөх өнгөтэй органик катион MB^+ болж сална. Энэ катион нь ойролцоогоор 284.41 g/mol масстай бөгөөд мөн гидратжсан байдаг. NIST-ийн метилений хөхийн бүртгэл болон ChEBI-ийн метилений хөхийн мэдээлэл эдгээр хэлбэрийг баримтжуулсан бөгөөд хими ба бүтцийн лавлах нь катион, усгүй давс, гидратуудыг яагаад тус тусад нь нэрлэх шаардлагатайг тайлбарладаг.

Үүнээс гурван дүгнэлт гарна.

Нэгдүгээрт, 158-ыг 320-той харьцуулах нь өнгөт ионуудын хэмжээний бодит зөрүүг дутуу илэрхийлнэ. Учир нь ойролцоогоор 119 g/mol масстай нил ягаан ион нь ойролцоогоор 284 g/mol масстай хөх катионоос хавьгүй жижиг бөгөөд хоёулаа үр дүнгийн хэмжээг нь нэмэгдүүлэх гидратацийн бүрхүүлтэй.

Хоёрдугаарт, метилений хөхийн катионууд бусад зүйлд наалддаг. Концентраци нэмэгдэхэд тэд димер болон том агрегатууд үүсгэж, агарт адсорбцлогдоно. Агар дахь адсорбцийн судалгаануудад мономер болон димер хоёулаа холбогддогийг мэдээлсэн байдаг. Адсорбцлогдсон будагч бодис хөдөлгөөнгүй үлдэнэ. Тэр гелийг өнгөтэй болгох боловч фронтыг урагшлуулахгүй.

Гуравдугаарт, түгээмэл хэрэглэдэг нунтаг урвалж нь гидрат тул жинлэсэн нэг граммд талстын ус агуулагдана. Тригидрат ба усгүй хэлбэрийн харьцуулалт нь энэ нь молийн концентрацийг хэрхэн өөрчилдгийг харуулдаг. Хичээл дээр ижил нөхцөлтэй харьцуулалт хийхийн тулд давсуудын молийн концентраци ижил уусмал бэлтгэж, ямар хатуу хэлбэрийг ашигласнаа тэмдэглээрэй.

Энд яагаад хөнгөн гэдэг нь хурдан гэсэн үг биш вэ

Шингэрүүлсэн уусмалд массаас илүү тохиромжтой анхны загвар нь Стокс–Эйнштейний загвар юм. Энэ загварт диффузын коэффициент нь температурыг зуурамтгай чанар ба гидродинамик радиусын үржвэрт хуваасантай пропорциональ байна. Гидратжсан хэмжээ нь бага бол илүү хурдан тархана. Нэг химийн бүлгийн хүрээнд бага масс нь ихэвчлэн жижиг хэмжээтэй хамааралтай байдаг тул хөнгөн гэдэг нь тайлбар мэт харагдаж болно. Гэхдээ энэ нь механизм биш, хамаарал юм.

Хийн жижиг нүхээр нэвчих хурд молийн массын квадрат язгуурын урвуутай пропорциональ байдаг гэсэн Грэмийн хууль энэ тавагт үйлчлэхгүй. Уг хуулийн гаргалгаа нь хийн кинетик онолд хамаарах бөгөөд үүнийг OpenStax-ийн хийн жижиг нүхээр нэвчилт ба диффузын тайлбарт хураангуйлсан. Шингэн орчинд зуурамтгай эсэргүүцэл, гидратаци, хэлбэрийн нөлөө, бөөмсийн шахцалдаан нэмэгдэнэ. Гельд нүх сүвийн бүтэц, замын тахирлал, адсорбци, полимертэй үүсэх цэнэгийн харилцан үйлчлэл нэмэгдэнэ.

Тоон утгууд энэ зөрүүг илчилнэ. Грэмийн хуулийг 158 ба 320-д хэрэглэвэл хурдны харьцаа ойролцоогоор 1.42 гэж таамаглана. Харин усан дахь шингэрүүлсэн уусмалд хэмжсэн диффузын коэффициентүүд өөр дүр зураг харуулдаг: перманганатынх ойролцоогоор 1.6-аас 1.8 үржих 10^-9 m^2/s, метилений хөхийнх ойролцоогоор 4.5-аас 5 үржих 10^-10 m^2/s буюу харьцаа нь 3 эсвэл 4-т илүү ойр байна. Дан масс ийм харьцааг тайлбарлаж чадахгүй. Үлдсэн нөлөөг гидратжсан хэмжээ, агрегат үүсэх явдал, гельтэй холбогдох байдал тайлбарлана.

Хөнгөн нь хурдан гэсэн ойлголтыг бөмбөрцөг хэлбэртэй бөөмс, холбогдолтгүй, агрегат үүсэхгүй, ижил нөхцөлтэй гэсэн таамаглал бүхий загвар гэж үзээрэй. Энэ таваг тэдгээрийн дор хаяж хоёрыг зөрчдөг.

Ижил нөхцөлтэй харьцуулалтыг хэрхэн хийх вэ

Энэ үзүүлэн программ хангамжтай адил шалтгаанаар алдаа гаргадаг: суурь санаа нь зөв боловч санаанаас хэмжилт рүү шилжүүлэх үйл явц нь урхиар дүүрэн. Дараах зүйл тус бүр молекулын ямар ч шинж чанарыг өөрчлөхгүйгээр үр дүнг өөрчилдөг.

Нэг удаа бэлтгэсэн агарыг ижил зузаантай цутгаж, ижил хонхор гаргагч, ижил шингэний эзлэхүүн, ижил молийн концентраци ашиглаарай. Метилений хөхийн агрегат үүсэхийг хязгаарлаж, өнгө хэт ханахаас сэргийлэхийн тулд концентрацийг хангалттай бага байлгана. Ууссан бодис тус бүрт дор хаяж гурван давталтын хонхор гаргаж, фронтууд огт нийлж хүрэлцэхгүй зайтай байрлуулаарай. Тавагнуудыг таглаж, тэгш байрлуулан, температурыг тогтмол барина. Учир нь агар дахь будагч бодисын судалгаанууд температур ба концентрациас хүчтэй хамаардаг болохыг харуулдаг. Хонхрыг дүүргэсэн агшныг хугацааны тэг цэг гэж тогтоож, хэмжихээс өмнө заагийг хэрхэн тодорхойлохоо шийдээрэй: гэрэл зурагт тогтмол босго хэрэглэх нь нүдээр баримжаалсан заагаас илүү сайн. Учир нь хөх ба нил ягаан өнгийг нүдээр илрүүлэх хязгаар өөр байдаг. Толбо бүрийн харилцан перпендикуляр хоёр диаметрийг тэмдэглэж, дундаж радиус болгон хувиргаарай. Радиусыг диаметртэй андуурах нь зайны квадратын аливаа графикийн утгыг дөрөв дахин зөрүүлдэг.

Тайлбарууд: зүүн хэсэгт фронт тус бүрийн радиусыг дээрээс харж, хонхрын ирмэгээс өнгөний зааг хүртэл хэмжсэнийг харуулсан; баруун хэсэгт хонхрын гүн болон гадагш чиглэсэн концентрацийн градиенттай цагирагууд бүхий агарын хөндлөн огтлолыг харуулсан; тайлбарын жагсаалтад тогтмол барих хувьсагчдыг оруулсан (агарын хувь, зузаан, будагч бодисын молийн концентраци, эзлэхүүн, хонхрын хэмжээ, температур, хугацааны тэг цэг, гэрэлтүүлэг).

Төөрөгдүүлэх үзэгдлүүдийг анхаараарай. Агарыг даган гадаргуу дээр асгарсан шингэн хурдан диффуз мэт харагддаг бөгөөд жижиг агарын хонхруудад ийм хэмжилтийн гажуудал үүсдэгийг баримтжуулсан байдаг. Перманганат нь хүчтэй исэлдүүлэгч бөгөөд органик бодисын өчүүхэн үлдэгдэлтэй урвалдан зарцуулагдаж, фронтын шилжилтийг зогсоох эсвэл өнгийг нь арилгаж болно. Метилений хөх исэлдэн ангижрах идэвхтэй бөгөөд гэрэлд эсвэл ангижруулах нөхцөлд өнгө нь бүдгэрч болно. Метилений хөхийн исэлдэн ангижрах хими ба өнгөгүй ангижирсан хэлбэр нь энэ шинжийг тайлбарладаг.

Уусгагчийн тухай товч тэмдэглэл: стандарт үзүүлэнгийн хоёр хонхорт хоёуланд нь усан уусмал хэрэглэдэг. Хэрэв туршилтын аргачлалд уусгагчийг өөрчилбөл эхлээд уусах чанар ба уусмал бэлтгэх гарын авлагыг үзээрэй. Учир нь уусах чанар болон агрегат үүсэх байдал орчноос хамааран өөрчлөгддөг.

Хичээлийн ажиглалтын хүснэгт

Энэ хүснэгтийг дэвтэртээ хуулж эсвэл хонхор бүрт нэг мөр ногдохоор хэвлээрэй. Таваг бүрт тусдаа хүснэгт ашиглавал давталтуудын бүртгэл үнэн зөв байна.

Шинжилгээ хийхдээ хонхор бүрийн дундаж радиусын квадратыг өнгөрсөн хугацаанаас хамааруулан графикт дүрсэлж, налалтуудыг харьцуулаарай. Заагийг хэрхэн тодорхойлсноо графикийн хажууд бичнэ. Зургаан муруйг бүгдийг нь тархалтынх нь хамт харуулбал сурагчид хэлбэлзлийг ичих зүйл бус, өгөгдөл гэж харна.

Аюулгүй ажиллагаа нь аргачлалын нэг хэсэг: метилений хөх арьс, хувцсанд толбо үлдээдэг, перманганат нь толбо үлдээж, цочроодог исэлдүүлэгч тул бээлий, нүдний хамгаалалт өмсөөрэй. Уусмалыг амандаа оруулахгүй, тавиур дээр ажиллаж, таваг болон шингэнийг угаалтуур руу асгахын оронд сургуулийн химийн хаягдал зайлуулах журмын дагуу устгана.

Тэмдэглэж авахад үнэ цэнтэй өгүүлбэр

Агар, концентраци, температурын эдгээр нөхцөлд перманганатын харагдах фронт ихэвчлэн метилений хөхийн фронтоос хурдан тархдаг. Энэ нь перманганатын үр дүнгийн диффузын коэффициент илүү их байдагтай нийцнэ. Гол шалтгаан нь түүний гидратжсан ион хавьгүй жижиг бөгөөд метилений хөх шиг агрегат үүсгэж, агарт холбогддоггүй явдал юм. Энд молекулын масс нь хэмжээний тэр зөрүүтэй хамааралтай боловч шингэн эсвэл гель дэх диффузын хурдыг дан масс тогтоодоггүй.

Энэ өгүүлбэрийг тэмдэглэсэн анги хоёр зүйл сурсан байна: өнгөт хоёр ионы тухай баримт, мөн үзүүлэнгээс харагдаж буй дүгнэлтэд итгэхээсээ өмнө тэр нь яг юуг хэмжиж байгааг асуух дадал.