मिथिलीन ब्लू आणि परमॅंगनेटचे विसरण: अगरमधील प्रयोग काय दाखवतो

शिक्षक अगरच्या प्लेटमध्ये दोन खळगे कापतात, एकात निळे रंगद्रव्य आणि दुसऱ्यात जांभळे द्रावण भरतात आणि वर्गाला निरीक्षण करायला सांगतात. एका तासानंतर जांभळे वलय अधिक रुंद झालेले असते. पोटॅशियम परमॅंगनेट हलके असल्यामुळे त्याचे विसरण मिथिलीन ब्लूपेक्षा वेगाने होते, असे विद्यार्थी लिहून ठेवतात.

हे वाक्य अर्धे बरोबर आणि अर्धे दिशाभूल करणारे आहे; आणि दिशाभूल करणारा भागच अधिक रंजक आहे. हे प्रात्यक्षिक विसरण शिकवण्यासाठी नेहमी वापरले जाते; उदाहरणार्थ, या अगरमधील विसरणाच्या प्रयोगशाळा सरावात त्याचे वर्णन आहे. पण विद्यार्थ्यांना दिसते ते रेणुभाराचे प्रत्यक्ष कार्य नाही. त्यांना जेलमधून सरकणारी दृश्यमान रंगसीमा दिसते. आयनाचा आकार, जलयोजन, रंगद्रव्याचे बंधन, सांद्रता, तापमान आणि सीमा मोजण्याची पद्धत या सर्वांचा तिच्यावर परिणाम होतो.

रंगीत सीमा म्हणजे विसरण गुणांक नव्हे

विसरण म्हणजे विरघळलेले कण जास्त सांद्रतेच्या भागातून कमी सांद्रतेच्या भागाकडे पसरणे. विसरण गुणांक, जो सहसा D असा लिहिला जातो, विशिष्ट तापमानाला विशिष्ट माध्यमात एखादे विद्राव्य किती वेगाने पसरते हे दर्शवतो.

वर्गातील प्लेट D थेट दाखवत नाही. रंग इतका फिकट होतो की दिसेनासा होतो, ती सीमा ती दाखवते. ही सीमा रंगद्रव्याची प्रकाशशोषणक्षमता, प्रकाशव्यवस्था, कॅमेऱ्याचे एक्स्पोजर, खळग्यात भरलेल्या द्रावणाची सांद्रता आणि पट्टी धरून मोजणाऱ्या व्यक्तीचा अंदाज यांवर, तसेच प्रत्यक्ष विसरणावर अवलंबून असते.

वर्गातील मोजमापाला त्याचे योग्य नाव द्या: दृश्यमान विसरण-अग्रसीमेची हालचाल. औपचारिक विश्लेषणात सरासरी वर्ग विस्थापनाचा D शी संबंध जोडण्यासाठी फिकच्या नियमांनुसार विसरणाच्या विश्लेषणात आढळणाऱ्या स्वरूपाची समीकरणे वापरतात. पण D चे मूल्य ठरवण्यासाठी कालानुसार सांद्रतेची वितरणे आवश्यक असतात; तासाच्या शेवटी मोजलेला एकच व्यास पुरेसा नसतो. वर्गातील प्रयोगावरील एका प्रकाशित अभ्यासात अंतिम रंगीत क्षेत्रांच्या आकारांची तुलना करण्याऐवजी अंतराचा वर्ग विरुद्ध वेळ असा आलेख काढून जेलमधील मिथिलीन ब्लूचा विसरण गुणांक सुमारे 4.5 × 10^-10 m^2/s मिळवला होता. एकच क्षणचित्र हे काम करू शकत नाही.

प्रात्यक्षिकामागची हीच संकल्पना आहे; बाकी सर्व तपशील प्लेट ही संकल्पना किती अचूकपणे दर्शवते याच्याशी संबंधित आहेत.

दोन रंगीत आयन, दोन रेणू नव्हेत

बाटलीवर छापलेल्या सूत्राच्या स्वरूपात यांपैकी कोणतेही विद्राव्य अगरमधून प्रवास करत नाही. दोन्ही प्रबल विद्युत अपघटनी पदार्थ असून पाण्यात त्यांचे विघटन होते.

पोटॅशियम परमॅंगनेट (KMnO4, सूत्रभार सुमारे 158.03 g/mol) पोटॅशियम आयन आणि परमॅंगनेट आयन यांत विभक्त होते. जांभळा रंग घेऊन प्रवास करणारा कण म्हणजे MnO4^- परमॅंगनेट आयन; त्याचे वस्तुमान सुमारे 118.94 g/mol असून त्याभोवती पाण्याचे आवरण असते. मिथिलीन ब्लू क्लोराइड (निर्जल लवण C16H18ClN3S, सुमारे 319.85 g/mol) क्लोराइड आणि निळ्या सेंद्रिय धनायनात, MB^+, विभक्त होते. या धनायनाचे वस्तुमान सुमारे 284.41 g/mol असून तेही जलयोजित असते. NIST मधील मिथिलीन ब्लूची नोंद आणि ChEBI मधील मिथिलीन ब्लूची नोंद या स्वरूपांचे दस्तऐवजीकरण करतात. रसायनशास्त्र आणि संरचनेचा संदर्भलेख धनायन, निर्जल लवण आणि जलयोजित रूपांसाठी वेगवेगळी नावे का आवश्यक आहेत हे स्पष्ट करतो.

यातून तीन गोष्टी स्पष्ट होतात.

पहिली, 158 आणि 320 यांची तुलना केल्याने रंगीत आयनांमधील आकाराचा खरा फरक कमी भासतो. कारण सुमारे 119 g/mol असलेला जांभळा आयन सुमारे 284 g/mol असलेल्या निळ्या धनायनापेक्षा खूप लहान असतो आणि दोघांभोवती जलयोजनाची आवरणे असल्याने त्यांचा प्रभावी आकार वाढतो.

दुसरी, मिथिलीन ब्लूची धनायने विविध पृष्ठभागांना चिकटतात. सांद्रता वाढल्यावर ती द्वितय आणि मोठे समुच्चय तयार करतात आणि अगरवर अधिशोषित होतात. अगरवरील अधिशोषणाच्या अभ्यासांमध्ये एकक आणि द्वितय या दोन्ही स्वरूपांच्या बंधनाची नोंद आहे. अधिशोषित रंगद्रव्य जागेवरच राहते. ते अग्रसीमा पुढे न नेता जेलला रंग देते.

तिसरी, नेहमी वापरली जाणारी अभिकर्मकाची पूड जलयोजित असते, त्यामुळे वजन करून घेतलेल्या एका ग्रॅममध्ये स्फटिकातील पाणीही असते. त्यामुळे मोलर सांद्रता कशी बदलते हे त्रिजलयोजित आणि निर्जल स्वरूपांच्या तुलनेत दाखवले आहे. वर्गातील योग्य तुलनेसाठी लवणांची समान मोलर सांद्रतेची द्रावणे तयार करा आणि कोणते घन स्वरूप वापरले होते याची नोंद ठेवा.

येथे हलके म्हणजे वेगवान असे का नाही

विरल द्रावणांमध्ये वस्तुमानापेक्षा स्टोक्स–आइन्स्टाइन प्रतिमान हा अधिक योग्य प्रारंभिक दृष्टिकोन आहे. त्यानुसार विसरण गुणांक तापमानाच्या समप्रमाणात आणि श्यानता व द्रवगतिक त्रिज्येच्या व्यस्त प्रमाणात बदलतो. कमी जलयोजित आकाराचा कण सरस ठरतो. एकाच रासायनिक कुटुंबात कमी वस्तुमानाचा संबंध अनेकदा लहान आकाराशी असतो, त्यामुळे हलके असणे हे स्पष्टीकरण वाटू शकते. पण तो सहसंबंध आहे, यंत्रणा नव्हे.

ग्रॅहमच्या नियमानुसार वायूच्या सूक्ष्मछिद्रातून बाहेर पडण्याचा दर मोलर वस्तुमानाच्या वर्गमुळाच्या व्यस्त प्रमाणात असतो; पण हा नियम या प्लेटला लागू होत नाही. त्याची व्युत्पत्ती वायूंच्या गतिज सिद्धांताशी संबंधित आहे. या वायूंचे सूक्ष्मछिद्रातून बाहेर पडणे आणि विसरण यांवरील OpenStax विवेचनात त्याचा सारांश दिला आहे. द्रवांमध्ये श्यान प्रतिरोध, जलयोजन, आकाराचे परिणाम आणि कणांची गर्दी हे अतिरिक्त घटक असतात. जेलमध्ये रंध्रांची रचना, वळणावळणाचे मार्ग, अधिशोषण आणि बहुवारिकाशी होणाऱ्या विद्युतभाराधारित आंतरक्रिया यांची भर पडते.

आकडेवारी हा फरक स्पष्ट करते. 158 आणि 320 यांना ग्रॅहमचा नियम लावल्यास दरांचे गुणोत्तर सुमारे 1.42 मिळते. पाण्यातील विरल द्रावणांत मोजलेले विसरण गुणांक वेगळे चित्र दाखवतात: परमॅंगनेटसाठी सुमारे 1.6 ते 1.8 × 10^-9 m^2/s, तर मिथिलीन ब्लूसाठी सुमारे 4.5 ते 5 × 10^-10 m^2/s; म्हणजे गुणोत्तर 3 किंवा 4 च्या अधिक जवळ आहे. केवळ वस्तुमानामुळे हे गुणोत्तर मिळू शकत नाही. जलयोजित आकार, समुच्चय निर्मिती आणि जेलशी बंधन हे उरलेले घटक स्पष्ट करतात.

हलके म्हणजे वेगवान या कल्पनेकडे काही गृहीतके असलेले प्रतिमान म्हणून पाहा: गोलाकार कण, बंधन नाही, समुच्चय निर्मिती नाही आणि समान परिस्थिती. या प्लेटमध्ये त्यांपैकी किमान दोन गृहीतके मोडतात.

योग्य तुलना कशी करावी

हे प्रात्यक्षिक सॉफ्टवेअरसारखेच अपयशी ठरते: मूळ कल्पना योग्य असते, पण कल्पनेपासून मोजमापापर्यंतच्या प्रक्रियेत अनेक सापळे असतात. खालील प्रत्येक घटक कोणताही रेणवीय गुणधर्म न बदलता उत्तर बदलतो.

एकाच खेपेत तयार केलेले अगर समान खोलीपर्यंत ओता, खळगे कापण्यासाठी एकच साधन वापरा, द्रवांची आकारमाने आणि मोलर सांद्रता समान ठेवा. मिथिलीन ब्लूची समुच्चय निर्मिती मर्यादित राहावी आणि रंग संपृक्त दिसू नये यासाठी सांद्रता पुरेशी कमी ठेवा. प्रत्येक विद्राव्यासाठी किमान तीन पुनरावृत्तीचे खळगे कापा आणि त्यांच्या अग्रसीमा कधीही एकमेकांना भिडणार नाहीत इतके अंतर ठेवा. पात्रे झाका, ती समतल ठेवा आणि तापमान स्थिर राखा, कारण अगरमधील रंगद्रव्यांच्या अभ्यासातून तापमान आणि सांद्रतेवरील ठळक अवलंबित्व दिसते. द्रावण भरण्याचा क्षण ही शून्य वेळ ठरवा आणि मोजण्यापूर्वी सीमा कशी ठरवायची ते निश्चित करा: डोळ्याने अंदाज घेतलेल्या सीमेपेक्षा छायाचित्रातील ठरावीक मर्यादा अधिक चांगली असते, कारण निळा आणि जांभळा रंग दिसण्याच्या किमान मर्यादा वेगवेगळ्या असतात. प्रत्येक रंगीत क्षेत्राचे दोन परस्पर लंब व्यास नोंदवा आणि त्यांवरून सरासरी त्रिज्या काढा. त्रिज्या आणि व्यास यांचा गोंधळ झाल्यास अंतराच्या वर्गावर आधारित कोणत्याही आलेखात चार पट चूक होते.

नामांकने: डाव्या भागात प्रत्येक अग्रसीमेसाठी खळग्याच्या कडेपासून रंगाच्या सीमेपर्यंत वरून मोजलेली त्रिज्या दाखवली आहे; उजव्या भागात खळग्याची खोली आणि बाहेरच्या दिशेने सांद्रता कमी होत जाणारी वलये यांसह अगरचा छेद दाखवला आहे; संकेतसूचीत नियंत्रित चल दिले आहेत (अगरची टक्केवारी, जाडी, रंगद्रव्याची मोलर सांद्रता, आकारमान, खळग्याचा आकार, तापमान, शून्य वेळ, प्रकाशव्यवस्था).

दिशाभूल करणाऱ्या परिणामांवर लक्ष ठेवा. अगरच्या पृष्ठभागावर सांडलेला द्रव वेगवान विसरणासारखा दिसतो; लहान अगर-खळग्यांमुळे निर्माण होणाऱ्या या प्रायोगिक आभासाची नोंद झालेली आहे. परमॅंगनेट हे प्रबल ऑक्सिडीकारक आहे आणि सेंद्रिय पदार्थांच्या अल्प अंशांशी अभिक्रिया होऊन ते खर्च होऊ शकते. यामुळे त्याची अग्रसीमा थांबते किंवा तिचा रंग नाहीसा होतो. मिथिलीन ब्लू ऑक्सिडीकरण–अपचयन अभिक्रियांमध्ये सक्रिय असते आणि प्रकाशात किंवा अपचयकारी परिस्थितीत त्याचा रंग फिका होऊ शकतो; मिथिलीन ब्लूचे ऑक्सिडीकरण–अपचयन रसायनशास्त्र आणि त्याचे रंगहीन अपचयित स्वरूप हा लेख हे वर्तन स्पष्ट करतो.

विद्रावकाविषयी एक छोटी नोंद: नेहमीच्या प्रात्यक्षिकातील दोन्ही खळग्यांत जलीय द्रावणे असतात. एखाद्या कार्यपद्धतीत विद्रावक बदलल्यास प्रथम विद्राव्यता आणि द्रावण तयार करण्याचे मार्गदर्शन पाहा, कारण माध्यम बदलल्याने विद्राव्यता आणि समुच्चय निर्मिती बदलतात.

वर्गातील निरीक्षण कार्यपत्रिका

हा तक्ता वहीत उतरवा किंवा प्रत्येक खळग्यासाठी एक ओळ छापून घ्या. प्रत्येक पात्रासाठी स्वतंत्र तक्ता ठेवल्याने पुनरावृत्तींच्या नोंदी अचूक राहतात.

विश्लेषणासाठी प्रत्येक खळग्याचा सरासरी त्रिज्येचा वर्ग विरुद्ध उलटलेला वेळ असा आलेख काढा आणि उतारांची तुलना करा. आलेखाजवळ सीमा कशी ठरवली ते नमूद करा. सर्व सहा वक्र त्यांच्या विखुरलेपणासह दाखवल्यास विद्यार्थ्यांना तफावत ही लाजिरवाणी बाब नसून माहितीचा भाग आहे हे समजते.

सुरक्षितता हा कार्यपद्धतीचा भाग आहे: हातमोजे आणि डोळ्यांचे संरक्षण वापरा, कारण मिथिलीन ब्लूमुळे त्वचा आणि कपड्यांवर डाग पडतात; परमॅंगनेट हे ऑक्सिडीकारक असून त्यानेही डाग पडतात आणि त्वचेची जळजळ होते. द्रावणे तोंडात जाऊ देऊ नका, ट्रेवर काम करा आणि प्लेट व द्रव सिंकमध्ये टाकण्याऐवजी शाळेच्या रासायनिक कचरा विल्हेवाट व्यवस्थेतून त्यांची विल्हेवाट लावा.

लिहून ठेवण्यासारखे वाक्य

अगर, सांद्रता आणि तापमानाच्या या परिस्थितीत परमॅंगनेटची दृश्यमान अग्रसीमा सहसा मिथिलीन ब्लूच्या अग्रसीमेपेक्षा वेगाने पसरते. हे परमॅंगनेटचा प्रभावी विसरण गुणांक अधिक असल्याशी सुसंगत आहे. याचे मुख्य कारण म्हणजे त्याचा जलयोजित आयन खूप लहान असतो आणि मिथिलीन ब्लूप्रमाणे तो समुच्चय बनवत नाही किंवा अगरशी बांधला जात नाही. येथे रेणुभाराचा त्या आकारातील फरकाशी सहसंबंध आहे, पण द्रव किंवा जेलमधील विसरणाचा दर केवळ वस्तुमान ठरवत नाही.

हे वाक्य लिहिणाऱ्या वर्गाने दोन गोष्टी शिकलेल्या असतात: दोन रंगीत आयनांविषयी एक तथ्य आणि प्रात्यक्षिकातून जे दिसते त्यावर विश्वास ठेवण्यापूर्वी ते नेमके काय मोजते हा प्रश्न विचारण्याची सवय.