Eksperimen botol biru: kimia, prosedur dan pemerhatian

Sebuah botol jernih terletak di atas meja makmal. Ia kelihatan seperti berisi air. Seseorang menggoncangnya, lalu cecair itu bertukar menjadi biru terang. Apabila diletakkan semula, warna biru hilang dalam masa satu atau dua minit. Goncangkannya sekali lagi dan warna biru kembali. Satu isian boleh mengulangi proses ini dua puluh kali atau lebih.

Pelajar biasanya meneka bahawa sesuatu tersembunyi di dalam botol, atau bahawa goncangan mencampurkan dua lapisan. Kedua-dua tekaan ini terbukti salah dengan cara yang berguna untuk pembelajaran. Warna itu berasal daripada satu pewarna, methylene blue, yang terdapat di seluruh larutan. Perkara yang berubah ialah bilangan elektron yang dibawa oleh pewarna tersebut. Demonstrasi ini ialah kitaran redoks yang dapat dilihat, dan setiap pemboleh ubah yang boleh diperhatikan oleh kelas, masa goncangan, suhu, kepekatan, berkaitan secara langsung dengan satu faktor dalam kimia tindak balas tersebut.

Dua bentuk pewarna yang sama

Methylene blue teroksida ialah sistem gelang rata yang bercas positif. Ia menyerap dengan kuat sekitar 600 hingga 700 nanometres, yang dilihat oleh mata sebagai biru tua. Kedua-dua bentuk dan spektrumnya dihuraikan dalam panduan tentang struktur dan sifat methylene blue.

Penurunan menambahkan dua elektron dan satu proton, lalu menghasilkan leucomethylene blue: tidak bercas, tidak satah dan secara efektif tidak berwarna. Dalam larutan beralkali, tindak balas separuh ditulis sebagai MB+ + H2O + 2 e- ⇌ LMB + OH-. Langkah ini boleh diterbalikkan sepenuhnya. Biru bermaksud teroksida, tidak berwarna bermaksud tereduksi, dan tiada keadaan ketiga yang perlu dijejaki, sebab itulah demonstrasi ini sesuai sebagai pengenalan awal yang jelas kepada kimia redoks.

Kitaran: glukosa mereduksi, oksigen mengoksidakan semula

Botol mengandungi tiga bahan aktif: methylene blue, glukosa dan alkali kuat, potassium atau sodium hydroxide. Alkali menggalakkan glukosa membentuk spesies terdeproton yang reaktif dan mendermakan elektron kepada pewarna:

gula penurun + MB (biru, teroksida) -> produk gula teroksida + LMB (tidak berwarna)

Langkah perlahan ini menghilangkan warna apabila botol dibiarkan. Glukosa ialah penderma korban dan akan digunakan habis. Pewarna hanya mengangkut elektron, jadi beberapa titis mencukupi untuk seluruh botol. Huraian bilik darjah yang lebih lama menyatakan bahawa glukosa menjadi gluconic acid. Ringkasan itu dapat meramalkan pemerhatian, tetapi pengajar perlu tahu bahawa ia tidak lengkap: satu analisis mekanistik yang diterbitkan dalam Royal Society Open Science menjejaki pengoksidaan melalui enediolate reaktif kepada dicarbonyl yang terurai menjadi asid yang lebih kecil.

Goncangan membalikkan hasil yang kelihatan. Pengadukan melarutkan oksigen daripada udara dalam ruang udara yang terperangkap, dan oksigen mengoksidakan semula pewarna yang telah tereduksi:

LMB (tidak berwarna) + O2 -> MB (biru) + produk oksigen tereduksi

Apabila dibiarkan, oksigen terlarut habis, glukosa mereduksi pewarna sekali lagi dan warnanya pudar. Sepanjang banyak kitaran, kimia bersihnya ialah pengoksidaan gula oleh udara, manakala pewarna berkitar tanpa berubah sebagai mediator redoks. Ia ialah mediator dan bukannya pemangkin mutlak, kerana pengoksidaan gula tetap berlaku tanpanya, dan pemudaran itu bukan penguraian: pewarna yang telah musnah tidak mungkin dapat dihidupkan semula dengan goncangan. Untuk memastikan stok pewarna stabil antara demonstrasi, lihat nota tentang pengendalian dan penyimpanan larutan methylene blue.

Prosedur untuk demonstrasi terselia

Ini ialah demonstrasi terselia, bukan aktiviti rumah. Alkali memerlukan perlindungan mata, sarung tangan dan pengajar yang bertanggungjawab terhadap penyediaan serta pembersihan. Dua formulasi yang didokumenkan mempunyai struktur yang sama tetapi menggunakan skala yang berbeza.

Lembaran arahan bagi demonstrasi yang diterbitkan oleh jabatan kimia Indiana University menggunakan kira-kira 5 percent potassium hydroxide, 4 percent glucose, dan 1 percent aqueous methylene blue. Tuangkan isipadu yang sama bagi larutan alkali dan glukosa ke dalam botol lutsinar 250 atau 500 millilitre sehingga separuh penuh, dan biarkan selebihnya sebagai ruang udara. Tambahkan beberapa titis pewarna, tutup botol, kedapkan sambungannya dan biarkan sehingga warna biru hilang. Prosedur Royal Society of Chemistry menggunakan konsep yang sama pada kelalang bertutup 1 litre: 300 millilitres air, 10 grams glukosa, 8 grams potassium hydroxide (atau 6 grams sodium hydroxide), serta beberapa millilitres stok pewarna cair.

Untuk menjalankan demonstrasi, goncang dengan kuat. Warna biru penuh terbentuk dalam beberapa saat. Letakkan kelalang dan ukur masa sehingga warnanya pudar. Royal Society of Chemistry melaporkan lebih daripada dua puluh kitaran bagi setiap isian. Jangan sekali-kali mengisi botol hingga penuh: tanpa udara yang terperangkap, tiada simpanan oksigen untuk dilarutkan.

Perkara yang perlu diperhatikan, dan faktor yang mengubah masa

Ukur tiga perkara: tempoh goncangan sehingga biru penuh (seconds), tempoh dibiarkan sehingga tidak berwarna (sehingga beberapa minit), dan bilangan kitaran sebelum warna biru menjadi lemah. Menjelang akhir setiap pemudaran, perhatikan permukaannya. Lapisan biru nipis sering kekal di sempadan udara, tempat oksigen terus meresap masuk. Garisan itu ialah proses resapan yang dapat dilihat.

Tindak balas botol biru mematuhi hukum kadar empirikal yang dilaporkan bersama prosedur Royal Society of Chemistry: rate = k[MB oxidised][glucose]OH-. Setiap faktor boleh dijadikan eksperimen bilik darjah. Lebih banyak glukosa, alkali atau pewarna memendekkan tempoh biru. Haba mempercepatkan pemudaran; kelalang sejuk bertindak dengan lebih perlahan. Goncangan yang lebih kuat melarutkan lebih banyak oksigen, jadi warna biru bertahan lebih lama. Ruang udara yang lebih besar memanjangkan tempoh tindak balas. Apabila kitaran akhirnya menjadi lemah dan cecair bertukar kekuningan, gula telah habis dan produk sampingan telah terkumpul. Titik akhir itu sendiri ialah hasil yang patut direkodkan.

Lembaran kerja pemerhatian

Salin jadual ini ke dalam buku nota, satu baris bagi setiap percubaan. Lembaran kerja ini bersama rajah tindak balas di atas ialah bahan yang boleh dicetak untuk artikel ini.

Soalan ramalan, dijawab sebelum setiap percubaan:

• Botol berwarna biru sejurus selepas digoncang. Bentuk pewarna yang manakah dominan, dan apakah yang menyebabkannya berada dalam keadaan itu?
• Botol dibiarkan dan warnanya pudar. Tindak balas yang manakah mendominasi, dan bahan yang manakah digunakan?
• Selepas banyak kitaran, warna biru menjadi pucat dan kekuningan. Hidupkannya semula dengan pewarna, alkali atau glukosa, dan mengapa?
• Lakarkan warna terhadap masa untuk satu kitaran. Tandakan tempat oksigen memasuki larutan.

Jawapan pengajar: (1) methylene blue teroksida, dioksidakan semula oleh oksigen terlarut daripada ruang udara; (2) penurunan oleh glukosa, glukosa digunakan; (3) glukosa, penderma pembatas, kerana pewarna berkitar tanpa berubah; (4) kenaikan mendadak semasa digoncang, penurunan beransur-ansur semasa dibiarkan, oksigen masuk hanya semasa kenaikan.

Varian berkaitan yang wajar disebut

Demonstrasi lampu isyarat menggantikan methylene blue dengan indigo carmine dan melalui warna kuning, merah dan hijau apabila dioksigenkan. Nama botol hijau digunakan secara longgar: kadangkala untuk varian tersebut, kadangkala untuk formulasi yang lebih hijau seperti sistem ascorbic acid atau sistem kitaran enzimatik yang diterangkan oleh American Chemical Society. Nyatakan varian yang benar-benar digunakan di atas meja supaya pelajar tidak menggabungkan pemerhatian daripada kimia yang berbeza.

Keselamatan dan pengendalian

Pengawasan diperlukan sepanjang masa. Gunakan perlindungan mata daripada percikan bahan kimia dan sarung tangan ketika mengendalikan larutan beralkali atau menggoncang bekas bertutup. Alkali boleh menyebabkan lecur, pewarna mengotorkan kulit dan fabrik, dan stok pewarna yang disediakan dalam ethanol menambahkan pelarut mudah terbakar ke meja makmal. Pastikan bekas sentiasa bertutup semasa digoncang. Selepas itu, simpan larutan terpakai untuk dikendalikan mengikut peraturan makmal institusi anda sendiri. Keperluan bagi sisa beralkali yang mengandungi pewarna berbeza antara institusi dan bidang kuasa, jadi ikuti prosedur makmal anda sendiri dan bukannya mengambil prosedur daripada sumber lain.

Jika anda mahukan nilai berangka dan bukannya perubahan warna, ujian kuantitatif untuk methylene blue meneruskan analisis pada tahap yang tidak diliputi oleh demonstrasi ini.

Mengapa guru terus menggunakan botol ini

Satu kelalang merangkum empat idea. Redoks menjadi warna dan bukannya sekadar definisi. Mediator menunjukkan bagaimana sejumlah kecil satu bahan boleh melaporkan keadaan sejumlah besar bahan lain. Kinetik dapat dibezakan daripada termodinamik secara visual: oksigen mendominasi semasa goncangan membekalkannya, manakala glukosa mendominasi apabila bekalan berhenti. Dan resapan, salah satu proses paling senyap dalam kimia, memungkinkan keseluruhan demonstrasi ini, kerana setiap kilatan biru bermula apabila oksigen merentasi sempadan daripada udara ke dalam air. Demonstrasi yang membolehkan pelajar meramal, mengukur masa dan menerangkan semua itu dengan jam randik dan sebuah jadual memang mempunyai tempat yang kukuh di atas meja makmal.