निळ्या बाटलीचा प्रयोग: रसायनशास्त्र, प्रक्रिया आणि निरीक्षणे

प्रयोगशाळेच्या बाकावर एक पारदर्शक बाटली ठेवलेली आहे. ती पाण्यासारखी दिसते. कोणी ती हलवते आणि द्रव ठळक निळा होतो. बाटली खाली ठेवल्यावर एक-दोन मिनिटांत निळा रंग नाहीसा होतो. पुन्हा हलवल्यावर निळा रंग परत येतो. एकाच भरावातून हे वीस वेळा किंवा त्याहून अधिक वेळा पुन्हा करता येते.

विद्यार्थी सहसा बाटलीत काहीतरी लपवलेले होते किंवा हलवल्यामुळे दोन थर मिसळले, असा अंदाज लावतात. दोन्ही अंदाज चुकीचे आहेत, पण ते शिकवणारे आहेत. रंग एका रंगद्रव्यामुळे येतो—methylene blue—आणि ते संपूर्ण द्रवात उपस्थित असते. बदलते ते म्हणजे त्या रंगद्रव्याकडे किती इलेक्ट्रॉन आहेत. हा प्रयोग दृश्यमान केलेले रेडॉक्स चक्र आहे, आणि वर्गाला दिसणारा प्रत्येक चल—हलवण्याचा कालावधी, तापमान, concentration—रसायनशास्त्रातील एखाद्या घटकाशी थेट जोडलेला आहे.

त्याच रंगद्रव्याची दोन रूपे

ऑक्सिडाइझ्ड methylene blue ही सपाट, धनभारित वलयाकार रचना आहे. ती 600 ते 700 nanometres परिसरातील प्रकाश जोरदारपणे शोषते, जो डोळ्यांना गडद निळा दिसतो. या दोन्ही रूपांबद्दल आणि त्यांच्या spectra बद्दल methylene blue ची रचना आणि गुणधर्म यावरील मार्गदर्शिकेत माहिती दिली आहे.

Reduction मुळे दोन इलेक्ट्रॉन आणि एक proton जोडले जातात आणि leucomethylene blue तयार होते: विद्युतभाररहित, non-planar आणि प्रत्यक्षात रंगहीन. Alkaline solution मध्ये half-reaction अशी आहे: MB+ + H2O + 2 e- ⇌ LMB + OH-. ही पायरी पूर्णपणे reversible आहे. निळा रंग म्हणजे oxidised अवस्था, रंगहीन म्हणजे reduced अवस्था, आणि निरीक्षणासाठी तिसरी अवस्था नाही. त्यामुळे रेडॉक्स रसायनशास्त्राशी पहिली ओळख करून देण्यासाठी हा प्रयोग विशेषतः स्पष्ट ठरतो.

चक्र: glucose reduction करते, oxygen पुन्हा oxidation करते

बाटलीत तीन कार्यरत घटक असतात: methylene blue, glucose आणि प्रबळ alkali—potassium किंवा sodium hydroxide. Alkali मुळे glucose चे प्रतिक्रियाशील deprotonated रूप तयार होण्यास चालना मिळते आणि ते रंगद्रव्याला इलेक्ट्रॉन देतात:

reducing sugar + MB (निळा, oxidised) -> oxidised sugar products + LMB (रंगहीन)

बाटली स्थिर ठेवली असताना ही संथ पायरी रंग नाहीसा करते. Glucose हा sacrificial donor आहे आणि तो वापरला जातो. रंगद्रव्य केवळ इलेक्ट्रॉन वाहून नेते, त्यामुळे काही थेंब संपूर्ण बाटलीसाठी पुरतात. जुन्या वर्गातील स्पष्टीकरणांनुसार glucose चे gluconic acid मध्ये रूपांतर होते. निरीक्षणांचा अंदाज लावण्यासाठी हे संक्षिप्त स्पष्टीकरण चालते, पण ते अपूर्ण आहे हे प्रशिक्षकांनी लक्षात ठेवावे: Royal Society Open Science मध्ये प्रकाशित mechanistic analysis नुसार oxidation हे प्रतिक्रियाशील enediolate मधून dicarbonyl पर्यंत जाते आणि नंतर ते तुटून लहान acids तयार होतात.

हलवल्यावर दिसणारा परिणाम उलटतो. हालचालीमुळे बाटलीच्या headspace मधील अडकलेल्या हवेतील oxygen द्रवात विरघळतो आणि oxygen reduced रंगद्रव्याचे पुन्हा oxidation करतो:

LMB (रंगहीन) + O2 -> MB (निळा) + reduced oxygen products

बाटली स्थिर ठेवल्यावर विरघळलेला oxygen संपतो, glucose पुन्हा रंगद्रव्याची reduction करते आणि रंग फिका होत जातो. अनेक चक्रांनंतर एकूण रासायनिक परिणाम म्हणजे हवेने sugar चे oxidation; रंगद्रव्य redox mediator म्हणून बदल न होता चक्राकार फिरते. ते strict catalyst नसून mediator आहे, कारण sugar oxidation त्याशिवायही होते; तसेच रंग फिका होणे हे decomposition नाही, कारण नष्ट झालेले रंगद्रव्य हलवल्यावर पुन्हा सक्रिय होऊ शकले नसते. प्रयोगांदरम्यान dye stocks स्थिर ठेवण्यासाठी methylene blue solutions हाताळणे आणि साठवणे यावरील नोंदी पहा.

पर्यवेक्षणाखालील प्रात्यक्षिकाची प्रक्रिया

हे पर्यवेक्षणाखाली केले जाणारे प्रात्यक्षिक आहे; घरगुती उपक्रम नाही. Alkali हाताळताना eye protection, gloves आणि तयारी व cleanup ची जबाबदारी घेणारा प्रशिक्षक आवश्यक आहे. दस्तऐवजीकरण केलेल्या दोन formulations ची मूलभूत रचना समान आहे, पण प्रमाण वेगवेगळे आहे.

Indiana University chemistry department ने प्रकाशित केलेल्या प्रात्यक्षिकाच्या सूचना पत्रकात अंदाजे 5 percent potassium hydroxide, 4 percent glucose आणि 1 percent aqueous methylene blue वापरले जाते. Alkali आणि glucose solutions चे समान प्रमाण पारदर्शक 250 किंवा 500 millilitre बाटलीत ओता आणि बाटली अर्धी भरा; उरलेली जागा air headspace म्हणून ठेवा. रंगद्रव्याचे काही थेंब घाला, झाकण लावा, सांधा seal करा आणि निळा रंग नाहीसा होईपर्यंत स्थिर ठेवा. Royal Society of Chemistry ची प्रक्रिया हीच कल्पना 1 litre stoppered flask साठी वापरते: 300 millilitres पाणी, 10 grams glucose, 8 grams potassium hydroxide (किंवा 6 grams sodium hydroxide), तसेच dilute dye stock चे काही millilitres.

प्रयोग करण्यासाठी फ्लास्क जोरात हलवा. काही seconds मध्ये पूर्ण निळा रंग तयार होतो. फ्लास्क खाली ठेवा आणि रंग फिका होण्यासाठी लागणारा वेळ मोजा. Royal Society of Chemistry नुसार एका भरावातून वीसपेक्षा अधिक चक्रे करता येतात. बाटली काठोकाठ कधीही भरू नका: अडकलेली हवा नसल्यास विरघळण्यासाठी oxygen चा साठा राहणार नाही.

काय निरीक्षण करावे आणि वेळेत बदल कशामुळे होतो

तीन गोष्टींची वेळ मोजा: पूर्ण निळा रंग येईपर्यंत हलवणे (seconds), रंगहीन होईपर्यंत स्थिर ठेवणे (काही minutes पर्यंत), आणि निळा रंग कमकुवत होण्यापूर्वीच्या चक्रांची संख्या. प्रत्येक fade च्या शेवटाकडे पृष्ठभागाकडे लक्ष द्या. हवा आणि द्रव यांच्या interface वर अनेकदा एक पातळ निळा थर काही काळ टिकतो, कारण तिथे oxygen सतत diffuse होत असतो. ही रेषा म्हणजे दृश्यमान झालेली diffusion.

Royal Society of Chemistry च्या प्रक्रियेसोबत दिलेल्या empirical rate law नुसार निळ्या बाटलीची अभिक्रिया चालते: rate = k[MB oxidised][glucose]OH-. प्रत्येक term हा वर्गातील स्वतंत्र प्रयोग होऊ शकतो. अधिक glucose, alkali किंवा dye असल्यास निळा कालावधी कमी होतो. उष्णतेमुळे fade जलद होते; थंड फ्लास्कमध्ये अभिक्रिया मंदावते. अधिक जोरात हलवल्यास अधिक oxygen विरघळतो, त्यामुळे निळा रंग जास्त काळ टिकतो. मोठा headspace प्रयोगाचा कालावधी वाढवतो. शेवटी चक्रे कमकुवत होतात आणि द्रव पिवळसर होतो, तेव्हा sugar संपलेला असतो आणि side products साचलेले असतात. हा endpoint स्वतःमध्ये नोंद घेण्याजोगा परिणाम आहे.

निरीक्षण कार्यपत्रक

ही सारणी वहीत उतरवा; प्रत्येक trial साठी एक row वापरा. हे worksheet आणि वरील reaction diagram ही या लेखाची printable assets आहेत.

प्रत्येक trial पूर्वी उत्तर द्यायचे prediction प्रश्न:

• हलवल्यानंतर लगेच बाटली निळी आहे. रंगद्रव्याचे कोणते रूप प्राबल्यात आहे आणि ते त्या अवस्थेत कशामुळे आले?
• बाटली स्थिर ठेवली असता रंग फिका होतो. कोणती reaction प्राबल्य मिळवत आहे आणि कोणता घटक वापरला जात आहे?
• अनेक चक्रांनंतर निळा रंग फिका आणि पिवळसर होतो. तो पुन्हा तीव्र करण्यासाठी dye, alkali की glucose वापराल, आणि का?
• एका चक्रासाठी वेळेच्या तुलनेत रंगाचा आलेख काढा. Oxygen solution मध्ये कुठे प्रवेश करतो ते चिन्हांकित करा.

प्रशिक्षकांसाठी उत्तरे: (1) oxidised methylene blue, विरघळलेल्या headspace oxygen मुळे पुन्हा oxidised; (2) glucose मुळे reduction, glucose वापरला जातो; (3) glucose, मर्यादित donor, कारण रंगद्रव्य बदल न होता चक्राकार फिरते; (4) हलवल्यावर तीव्र वाढ, स्थिर ठेवल्यावर हळूहळू घट, oxygen चा प्रवेश फक्त वाढीच्या टप्प्यात.

उल्लेख करण्याजोगे जवळचे प्रकार

Traffic light प्रात्यक्षिकात indigo carmine वापरले जाते आणि oxygenation नुसार रंग पिवळा, लाल आणि हिरवा असा बदलतो. Green bottle हे नाव सैलपणे वापरले जाते: कधी त्या प्रकारासाठी, तर कधी ascorbic acid systems सारख्या अधिक हिरव्या formulations साठी किंवा American Chemical Society ने वर्णन केलेल्या enzymatic cycling system साठी. प्रयोगशाळेच्या बाकावर कोणता प्रकार आहे ते स्पष्टपणे सांगा, म्हणजे विद्यार्थी वेगवेगळ्या chemistries मधील निरीक्षणे एकत्र करणार नाहीत.

सुरक्षितता आणि हाताळणी

संपूर्ण वेळ पर्यवेक्षण आवश्यक आहे. Alkaline solution हाताळताना किंवा stoppered vessel हलवताना chemical splash eye protection आणि gloves वापरा. Alkali भाजू शकतो, dye त्वचा आणि कापडावर डाग सोडतो, आणि ethanol मध्ये तयार केलेले dye stocks प्रयोगशाळेच्या बाकावर ज्वलनशील solvent आणतात. हलवताना vessel बंद ठेवा. प्रयोगानंतर वापरून झालेले solutions तुमच्या संस्थेच्या स्वतःच्या laboratory rules नुसार हाताळण्यासाठी जतन करा. Alkaline आणि dye-containing waste संबंधी आवश्यकता संस्था आणि jurisdiction नुसार बदलतात, त्यामुळे दुसऱ्या स्रोताची प्रक्रिया स्वीकारण्याऐवजी तुमच्या laboratory ने निर्धारित केलेली प्रक्रिया पाळा.

रंगबदलांऐवजी संख्यात्मक मोजमाप हवे असल्यास, methylene blue साठीचे quantitative assays या प्रात्यक्षिकानंतरचा पुढचा टप्पा आहेत.

शिक्षक ही बाटली का वापरत राहतात

एकाच फ्लास्कमध्ये चार कल्पना एकत्र दिसतात. Redox ही केवळ व्याख्या न राहता प्रत्यक्ष रंगबदल बनते. Mediator मुळे एखाद्या पदार्थाचे अत्यल्प प्रमाण दुसऱ्या पदार्थाच्या मोठ्या प्रमाणातील स्थिती कशी दर्शवू शकते हे दिसते. Kinetics आणि thermodynamics यांतील फरक स्पष्टपणे दिसतो: हलवताना oxygen पुरवला जात असल्याने तो प्राबल्य मिळवतो; पुरवठा थांबल्यावर glucose प्राबल्य मिळवतो. आणि diffusion—रसायनशास्त्रातील सर्वात शांत प्रक्रिया—या संपूर्ण प्रयोगाची सुरुवात घडवते, कारण प्रत्येक निळी चमक हवेतील oxygen पाण्यात प्रवेश केल्याने सुरू होते. विद्यार्थी stopwatch आणि एका सारणीच्या मदतीने या सर्व गोष्टींचा अंदाज लावू, वेळ मोजू आणि स्पष्टीकरण देऊ शकतात; म्हणून या प्रात्यक्षिकाला प्रयोगशाळेच्या बाकावर आपली जागा मिळालेली आहे.