Resapan biru metilena dan permanganat: apa yang ditunjukkan oleh eksperimen agar

Seorang guru membuat dua lubang pada plat agar, mengisi satu dengan pewarna biru dan satu lagi dengan larutan ungu, lalu meminta murid memerhatikannya. Sejam kemudian, gelang ungu lebih lebar. Murid mencatat bahawa kalium permanganat meresap lebih cepat daripada biru metilena kerana ia lebih ringan.

Ayat itu separuh betul dan separuh mengelirukan, dan bahagian yang mengelirukan itulah yang menarik. Demonstrasi ini ialah pelajaran resapan yang lazim, seperti yang diterangkan dalam latihan makmal resapan agar ini, tetapi apa yang dilihat oleh murid bukanlah kesan berat molekul semata-mata. Mereka melihat pergerakan sempadan warna yang kelihatan melalui gel, yang dipengaruhi oleh saiz ion, penghidratan, pengikatan pewarna, kepekatan, suhu dan cara sempadan itu diukur.

Sempadan warna bukan pekali resapan

Resapan ialah penyebaran zarah terlarut dari kawasan berkepekatan tinggi ke kawasan berkepekatan rendah. Pekali resapan, yang biasanya ditulis sebagai D, menerangkan seberapa cepat penyebaran itu berlaku bagi sesuatu zat terlarut dalam medium tertentu pada suhu tertentu.

Plat dalam bilik darjah tidak menunjukkan D secara langsung. Ia menunjukkan sempadan apabila warna menjadi terlalu pudar untuk dilihat. Sempadan itu bergantung pada daya serap pewarna, pencahayaan, dedahan kamera, kepekatan yang dimasukkan ke dalam lubang dan pertimbangan orang yang memegang pembaris, selain resapan itu sendiri.

Namakan bacaan bilik darjah itu berdasarkan apa yang sebenarnya diukur: pergerakan muka resapan yang kelihatan. Huraian formal mengaitkan purata sesaran kuasa dua dengan D melalui hubungan seperti yang terdapat dalam analisis resapan Fick, tetapi pemadanan D memerlukan profil kepekatan sepanjang masa, bukan satu ukuran diameter pada akhir kelas. Satu kajian bilik darjah yang diterbitkan memperoleh keresapan biru metilena dalam gel sekitar 4.5 kali 10^-10 m^2/s dengan memplot jarak kuasa dua terhadap masa, bukannya membandingkan saiz tompok akhir. Satu imej pada satu ketika sahaja tidak dapat melakukannya.

Inilah konsep di sebalik demonstrasi ini, dan perkara lain hanyalah butiran tentang sejauh mana plat itu mewakilinya dengan tepat.

Dua ion berwarna, bukan dua molekul

Kedua-dua zat terlarut tidak bergerak melalui agar dalam bentuk formula yang dicetak pada botol. Kedua-duanya ialah elektrolit kuat yang terurai kepada ion dalam air.

Kalium permanganat (KMnO4, jisim formula kira-kira 158.03 g/mol) terurai kepada ion kalium dan ion permanganat. Zarah ungu yang bergerak ialah ion permanganat MnO4^-, berjisim kira-kira 118.94 g/mol, yang dikelilingi lapisan molekul air. Biru metilena klorida (garam kontang C16H18ClN3S, kira-kira 319.85 g/mol) terurai kepada klorida dan kation organik biru MB^+, berjisim kira-kira 284.41 g/mol, yang juga terhidrat. Rekod biru metilena NIST dan entri biru metilena ChEBI mendokumentasikan bentuk-bentuk ini, manakala rujukan kimia dan struktur menerangkan mengapa kation, garam kontang dan hidrat memerlukan nama yang berasingan.

Terdapat tiga implikasi.

Pertama, perbandingan 158 dengan 320 mengecilkan perbezaan saiz sebenar antara ion berwarna, kerana spesies ungu pada kira-kira 119 g/mol jauh lebih kecil daripada kation biru pada kira-kira 284 g/mol, dan kedua-duanya mempunyai lapisan penghidratan yang menambah saiz berkesan.

Kedua, kation biru metilena melekat pada bahan. Ia membentuk dimer dan agregat yang lebih besar apabila kepekatan meningkat, serta terjerap pada agar; pengikatan monomer dan dimer kedua-duanya dilaporkan dalam kajian penjerapan agar. Pewarna yang terjerap tidak bergerak. Ia mewarnakan gel tanpa menggerakkan muka resapan ke hadapan.

Ketiga, serbuk reagen yang lazim digunakan ialah hidrat, jadi setiap gram yang ditimbang mengandungi air dalam kristalnya. Perbandingan trihidrat dengan bentuk kontang menunjukkan bagaimana hal itu mengubah kemolaran. Untuk perbandingan bilik darjah yang adil, sediakan larutan garam pada kepekatan molar yang sama dan catat bentuk pepejal yang digunakan.

Mengapa lebih ringan tidak bermakna lebih cepat di sini

Dalam cecair cair, model awal yang lebih baik daripada jisim ialah gambaran Stokes-Einstein, yang menyatakan bahawa keresapan berkadar dengan suhu dibahagi dengan kelikatan dan jejari hidrodinamik. Saiz terhidrat yang lebih kecil memberikan kelebihan. Jisim yang lebih rendah sering berkorelasi dengan saiz yang lebih kecil dalam satu keluarga kimia, jadi sifat lebih ringan boleh kelihatan seperti suatu penjelasan. Itu ialah korelasi, bukan mekanismenya.

Hukum Graham, yang menyatakan bahawa kadar efusi gas berkadar dengan songsangan punca kuasa dua jisim molar, tidak mengawal proses pada plat ini. Penerbitannya berasaskan teori kinetik gas, yang diringkaskan dalam huraian OpenStax tentang efusi dan resapan gas ini. Cecair menambahkan seretan likat, penghidratan, kesan bentuk dan kesesakan zarah. Gel menambahkan struktur liang, keliku-likuan laluan, penjerapan dan interaksi cas dengan polimer.

Angka-angka ini menunjukkan jurangnya. Hukum Graham yang digunakan pada 158 berbanding 320 meramalkan nisbah kadar kira-kira 1.42. Keresapan yang diukur dalam larutan akueus cair menunjukkan gambaran berbeza: permanganat sekitar 1.6 hingga 1.8 kali 10^-9 m^2/s berbanding biru metilena sekitar 4.5 hingga 5 kali 10^-10 m^2/s, iaitu nisbah yang lebih hampir kepada 3 atau 4. Jisim sahaja tidak dapat menghasilkan nisbah itu. Saiz terhidrat, pengagregatan dan pengikatan pada gel menjelaskan perbezaan selebihnya.

Anggap hubungan lebih ringan–lebih cepat sebagai model yang mempunyai andaian: zarah berbentuk sfera, tiada pengikatan, tiada pengagregatan dan keadaan yang sama. Plat ini melanggar sekurang-kurangnya dua daripadanya.

Cara menjalankan perbandingan yang adil

Demonstrasi ini gagal seperti perisian gagal: idea asasnya kukuh, tetapi proses menghubungkan idea dengan pengukuran penuh dengan perangkap. Setiap faktor berikut mengubah jawapan tanpa mengubah sebarang sifat molekul.

Gunakan satu kelompok agar yang dituang pada kedalaman yang sama, satu alat pemotong lubang, isi padu cecair yang sama, kepekatan molar yang sama dan kepekatan yang cukup rendah untuk mengehadkan pengagregatan biru metilena serta mengelakkan warna daripada menjadi tepu. Buat sekurang-kurangnya tiga lubang replikasi bagi setiap zat terlarut, dengan jarak yang memastikan muka resapan tidak bertemu. Tutup bekas, pastikan kedudukannya mendatar dan kekalkan suhu malar, kerana kajian pewarna dalam agar menunjukkan kebergantungan yang kuat pada suhu dan kepekatan. Tetapkan masa sifar sebagai saat pengisian, dan takrifkan sempadan sebelum mengukur: ambang fotografi yang tetap lebih baik daripada sempadan yang dianggarkan dengan mata, kerana biru dan ungu mempunyai had pengesanan visual yang berbeza. Catat dua diameter yang berserenjang bagi setiap tompok dan tukarkannya kepada jejari purata, kerana kekeliruan antara jejari dengan diameter menjejaskan mana-mana plot jarak kuasa dua sebanyak faktor empat.

Label: panel kiri menunjukkan jejari dari pandangan atas yang diukur dari tepi lubang hingga sempadan warna bagi setiap muka resapan; panel kanan menunjukkan keratan rentas agar dengan kedalaman lubang dan halo kecerunan ke arah luar; petunjuk menyenaraikan pemboleh ubah terkawal (peratus agar, ketebalan, kemolaran pewarna, isi padu, saiz lubang, suhu, masa sifar, pencahayaan).

Berwaspada terhadap kesan yang menyerupai resapan. Cecair yang tertumpah merentasi permukaan agar kelihatan seperti resapan pantas dan merupakan artifak yang telah didokumentasikan bagi lubang agar kecil. Permanganat ialah pengoksida kuat dan boleh habis bertindak balas dengan surih bahan organik, lalu menghentikan atau melunturkan muka resapannya. Biru metilena aktif secara redoks dan boleh memudar di bawah cahaya atau dalam keadaan penurunan; kimia redoks biru metilena dan bentuk terturunnya yang tidak berwarna menerangkan tingkah laku itu.

Nota ringkas tentang pelarut: kedua-dua lubang dalam demonstrasi standard menggunakan larutan akueus. Jika sesuatu protokol menukar pelarut, semak panduan keterlarutan dan penyediaan larutan terlebih dahulu, kerana keterlarutan dan pengagregatan berubah mengikut medium.

Lembaran kerja pemerhatian bilik darjah

Salin jadual ini ke dalam buku nota atau cetak satu baris bagi setiap lubang. Satu jadual bagi setiap bekas memastikan replikasi direkodkan dengan betul.

Untuk analisis, plot kuasa dua jejari purata terhadap masa berlalu bagi setiap lubang dan bandingkan kecerunannya, sambil menyatakan takrif sempadan di sebelah graf. Jika keenam-enam lengkung ditunjukkan berserta sebarannya, murid akan melihat variasi sebagai data, bukannya sesuatu yang memalukan.

Keselamatan ialah sebahagian daripada protokol: pakai sarung tangan dan pelindung mata, kerana biru metilena meninggalkan kesan warna pada kulit dan pakaian, manakala permanganat ialah pengoksida yang meninggalkan kesan warna dan menyebabkan kerengsaan. Jangan biarkan larutan masuk ke dalam mulut, lakukan kerja di atas dulang dan lupuskan plat serta cecair melalui saluran sisa kimia sekolah, bukannya ke dalam sinki.

Ayat yang wajar dicatat

Dalam keadaan agar, kepekatan dan suhu ini, muka permanganat yang kelihatan biasanya merebak lebih cepat daripada muka biru metilena. Hal ini selaras dengan permanganat mempunyai keresapan berkesan yang lebih tinggi, terutamanya kerana ion terhidratnya jauh lebih kecil dan ia tidak beragregat atau mengikat agar seperti biru metilena. Jisim molekul berkorelasi dengan perbezaan saiz itu dalam kes ini, tetapi jisim sahaja tidak menentukan kadar resapan dalam cecair atau gel.

Kelas yang mencatat ayat itu telah mempelajari dua perkara: satu fakta tentang dua ion berwarna, dan tabiat bertanya apa yang diukur oleh sesuatu demonstrasi sebelum mempercayai apa yang kelihatan ditunjukkannya.