Id-diffużjoni tal-blu tal-metilen u tal-permanganat: x’juri l-esperiment bl-agar

Għalliem jaqta’ żewġ ħofor fi pjanċa tal-agar, jimla waħda b’żebgħa blu u l-oħra b’soluzzjoni vjola, u jgħid lill-klassi tosserva. Siegħa wara, iċ-ċirku vjola jkun usa’. Il-klassi tikteb li l-permanganat tal-potassju jiddiffondi aktar malajr mill-blu tal-metilen għax huwa eħfef.

Dik is-sentenza hija nofsha korretta u nofsha qarrieqa, u n-nofs qarrieqi huwa l-parti interessanti. Id-dimostrazzjoni hija lezzjoni standard dwar id-diffużjoni, deskritta pereżempju f’dan l-eżerċizzju tal-laboratorju dwar id-diffużjoni fl-agar, iżda dak li jaraw l-istudenti mhuwiex il-piż molekulari fl-azzjoni. Huwa l-moviment ta’ tarf viżibbli tal-kulur minn ġo ġell, influwenzat mid-daqs tal-joni, l-idratazzjoni, l-irbit taż-żebgħa, il-konċentrazzjoni, it-temperatura u l-mod kif jitkejjel it-tarf.

It-tarf ikkulurit mhuwiex il-koeffiċjent tad-diffużjoni

Id-diffużjoni hija t-tifrix ta’ partiċelli maħlula minn konċentrazzjoni għolja għal konċentrazzjoni baxxa. Il-koeffiċjent tad-diffużjoni, normalment miktub D, jiddeskrivi kemm iseħħ malajr dak it-tifrix għal solut partikolari f’mezz partikolari f’temperatura partikolari.

Pjanċa fil-klassi ma turix D direttament. Turi konfini fejn il-kulur isir ċar wisq biex jidher. Dak il-konfini jiddependi fuq l-assorbittività taż-żebgħa, id-dawl, l-esponiment tal-kamera, il-konċentrazzjoni mqiegħda fil-ħofra u l-ġudizzju tal-persuna li żżomm il-ħakkiem, kif ukoll fuq id-diffużjoni nnifisha.

Semmi l-qari li jsir fil-klassi għal dak li hu: il-moviment ta’ front viżibbli tad-diffużjoni. Trattamenti formali jirrelataw il-medja tal-kwadru tal-ispostament ma’ D permezz ta’ relazzjonijiet tal-forma li tinsab fl-analiżi tad-diffużjoni skont Fick, iżda l-istima ta’ D permezz ta’ adattament tad-data teħtieġ profili tal-konċentrazzjoni matul iż-żmien, mhux dijametru wieħed fi tmiem il-lezzjoni. Studju wieħed ippubblikat dwar esperiment fil-klassi kiseb diffużività tal-blu tal-metilen qrib 4.5 darbiet 10^-10 m^2/s fil-ġell billi fassal graff tad-distanza kwadrata kontra l-ħin, minflok qabbel id-daqsijiet finali tat-tikek. Osservazzjoni waħda f’mument wieħed ma tistax tagħmel dak ix-xogħol.

Dan huwa l-kunċett wara d-dimostrazzjoni, u kull ħaġa oħra hija dettall ta’ kemm il-pjanċa tirrappreżentah b’mod fidil.

Żewġ joni kkuluriti, mhux żewġ molekuli

L-ebda wieħed mis-soluti ma jgħaddi mill-agar fil-forma tal-formula stampata fuq il-flixkun. It-tnejn huma elettroliti qawwija li jiddissoċjaw fl-ilma.

Il-permanganat tal-potassju (KMnO4, massa tal-formula ta’ madwar 158.03 g/mol) jissepara f’joni tal-potassju u joni tal-permanganat. Il-partiċella vjola li tiċċaqlaq hija l-jone tal-permanganat MnO4^-, b’massa ta’ madwar 118.94 g/mol, imdawwar b’qoxra ta’ ilma. Il-klorur tal-blu tal-metilen (melħ anidru C16H18ClN3S, madwar 319.85 g/mol) jissepara fi klorur u l-katjoni organiku blu MB^+, b’massa ta’ madwar 284.41 g/mol, li wkoll huwa idratat. Ir-rekord tan-NIST dwar il-blu tal-metilen u l-entrata ta’ ChEBI dwar il-blu tal-metilen jiddokumentaw dawn il-forom, u r-referenza dwar il-kimika u l-istruttura tispjega għaliex il-katjoni, il-melħ anidru u l-idrati jeħtieġu ismijiet separati.

Minn dan jirriżultaw tliet konsegwenzi.

L-ewwel, il-paragun bejn 158 u 320 jagħti impressjoni iżgħar mid-differenza reali fid-daqs bejn il-joni kkuluriti, peress li l-ispeċi vjola ta’ madwar 119 g/mol hija ħafna iżgħar mill-katjoni blu ta’ madwar 284 g/mol, u t-tnejn iġorru qxur ta’ idratazzjoni li jżidu d-daqs effettiv.

It-tieni, il-katjoni tal-blu tal-metilen jeħlu ma’ affarijiet oħra. Jiffurmaw dimeri u aggregati akbar hekk kif tiżdied il-konċentrazzjoni, u jiġu adsorbiti mal-agar; l-irbit kemm tal-monomeru kif ukoll tad-dimeru ġie rrappurtat fi studji dwar l-adsorbiment mal-agar. Iż-żebgħa adsorbita tibqa’ wieqfa. Tagħti kulur lill-ġell mingħajr ma tmexxi l-front ’il quddiem.

It-tielet, it-trab komuni tar-reaġent huwa idrat, għalhekk gramma miżuna fiha ilma fil-kristall. Il-paragun bejn it-triidrat u l-forma anidra juri kif dan ibiddel il-molarità. Għal paragun ġust fil-klassi, ipprepara soluzzjonijiet b’konċentrazzjonijiet molari ugwali tal-imluħa u niżżel liema forma solida ntużat.

Għaliex eħfef ma jfissirx aktar malajr hawnhekk

F’likwidi dilwiti, mudell inizjali aħjar mill-massa huwa l-mudell ta’ Stokes-Einstein, li fih id-diffużività hija proporzjonali għat-temperatura diviża bil-viskożità u bir-raġġ idrodinamiku. Daqs iżgħar wara l-idratazzjoni jagħti vantaġġ. Massa aktar baxxa spiss tkun korrelatata ma’ daqs iżgħar fi ħdan l-istess familja kimika, u għalhekk il-fatt li partiċella tkun eħfef jista’ jidher bħala spjegazzjoni. Din hija korrelazzjoni, mhux il-mekkaniżmu.

Il-liġi ta’ Graham, li tgħid li r-rati tal-effużjoni tal-gassijiet huma proporzjonali għall-invers tal-għerq kwadrat tal-massa molari, ma tirregolax din il-pjanċa. Id-derivazzjoni tagħha tappartjeni għat-teorija kinetika tal-gassijiet, miġbura fil-qosor f’dan it-trattament ta’ OpenStax dwar l-effużjoni u d-diffużjoni tal-gassijiet. Il-likwidi jżidu r-reżistenza viskuża, l-idratazzjoni, l-effetti tal-forma u l-iffullar tal-partiċelli. Il-ġellijiet iżidu l-istruttura tal-pori, it-tortwożità, l-adsorbiment u l-interazzjonijiet taċ-ċarġ mal-polimeru.

In-numri jikxfu d-differenza. Il-liġi ta’ Graham applikata għal 158 kontra 320 tbassar proporzjon tar-rati ta’ madwar 1.42. Id-diffużivitajiet imkejla f’soluzzjonijiet dilwiti fl-ilma jagħtu stampa differenti: il-permanganat qrib 1.6 sa 1.8 darbiet 10^-9 m^2/s kontra l-blu tal-metilen qrib 4.5 sa 5 darbiet 10^-10 m^2/s, proporzjon eqreb lejn 3 jew 4. Il-massa waħedha ma tistax tipproduċi dak il-proporzjon. Id-daqs idratat, l-aggregazzjoni u l-irbit mal-ġell jispjegaw il-kumplament.

Ittratta l-idea li eħfef ifisser aktar malajr bħala mudell b’assunzjonijiet: partiċelli sferiċi, ebda rbit, ebda aggregazzjoni, kundizzjonijiet identiċi. Il-pjanċa tikser mill-inqas tnejn minnhom.

Kif tagħmel paragun ġust

Id-dimostrazzjoni tfalli bl-istess mod li jfalli s-softwer: l-idea sottostanti hija valida, iżda t-triq mill-idea għall-kejl hija mimlija nases. Kull waħda minn dawn tbiddel it-tweġiba mingħajr ma tbiddel xi proprjetà molekulari.

Uża lott wieħed ta’ agar imferra’ għal fond uniformi, għodda waħda biex taqta’ l-ħofor, volumi ugwali ta’ likwidu, konċentrazzjonijiet molari ugwali, u konċentrazzjonijiet baxxi biżżejjed biex jillimitaw l-aggregazzjoni tal-blu tal-metilen u jżommu l-kulur mhux saturat. Aqta’ mill-inqas tliet ħofor replikati għal kull solut, bi spazju bejniethom sabiex il-fronti qatt ma jiltaqgħu. Għatti d-dixxijiet, żommhom orizzontali u żomm it-temperatura kostanti, għax ix-xogħol biż-żebgħat fl-agar juri dipendenza qawwija fuq it-temperatura u l-konċentrazzjoni. Iddefinixxi l-ħin żero bħala l-mument tal-mili, u ddefinixxi t-tarf qabel ma tkejjel: limitu fotografiku fiss huwa aħjar minn konfini stmat bl-għajn, għax il-blu u l-vjola għandhom limiti differenti ta’ detezzjoni viżwali. Niżżel żewġ dijametri perpendikolari għal kull tikka u kkonvertihom f’raġġ medju, għax jekk tħawwad ir-raġġ mad-dijametru, kwalunkwe graff tad-distanza kwadrata tkun żbaljata b’fattur ta’ erbgħa.

Tikketti: il-pannell tax-xellug juri r-raġġ minn fuq, imkejjel mit-tarf tal-ħofra sat-tarf tal-kulur għal kull front; il-pannell tal-lemin juri s-sezzjoni trasversali tal-agar bil-fond tal-ħofra u ċ-ċrieki tal-gradjent li jestendu ’l barra; il-leġġenda telenka l-varjabbli kkontrollati (il-perċentwal tal-agar, il-ħxuna, il-molarità taż-żebgħa, il-volum, id-daqs tal-ħofra, it-temperatura, il-ħin żero, id-dawl).

Oqgħod attent għal fenomeni li jimitaw id-diffużjoni. Likwidu li jinxtered fuq il-wiċċ tal-agar jidher qisu diffużjoni mgħaġġla u huwa artefatt iddokumentat ta’ ħofor żgħar fl-agar. Il-permanganat huwa ossidant qawwi u jista’ jiġi kkunsmat minn traċċi ta’ materjal organiku, li jwaqqfu l-front tiegħu jew ineħħulu l-kulur. Il-blu tal-metilen huwa attiv fir-reazzjonijiet redox u jista’ jitlef il-kulur taħt id-dawl jew f’kundizzjonijiet riduċenti; il-kimika redox tal-blu tal-metilen u l-forma ridotta bla kulur tiegħu tispjega din l-imġiba.

Nota qasira dwar is-solvent: iż-żewġ ħofor fid-dimostrazzjoni standard fihom soluzzjonijiet milwiema. Jekk protokoll xi darba jbiddel is-solvent, l-ewwel ikkonsulta l-gwida dwar is-solubbiltà u l-preparazzjoni tas-soluzzjonijiet, għax is-solubbiltà u l-aggregazzjoni jinbidlu skont il-mezz.

Skeda ta’ osservazzjoni għall-klassi

Ikkopja din it-tabella fil-pitazzi jew stampa ringiela waħda għal kull ħofra. Tabella waħda għal kull dixx iżżomm ir-replikati ddokumentati b’mod korrett.

Għall-analiżi, fassal graff tal-kwadru tar-raġġ medju kontra l-ħin li għadda għal kull ħofra u qabbel l-inklinazzjonijiet, filwaqt li tagħti d-definizzjoni tat-tarf ħdejn il-graff. Jekk jintwerew is-sitt kurvi kollha flimkien mal-firxa tagħhom, il-klassi tara l-varjazzjoni bħala data aktar milli bħala xi ħaġa li tħammarlek wiċċek.

Is-sigurtà hija parti mill-protokoll: ilbes ingwanti u protezzjoni għall-għajnejn, għax il-blu tal-metilen iħalli tbajja’ fuq il-ġilda u l-ħwejjeġ, u l-permanganat huwa ossidant li jħalli tbajja’ u jirrita. Żomm is-soluzzjonijiet ’il bogħod mill-ħalq, aħdem fuq trej, u armi l-pjanċi u l-likwidi permezz tas-sistema tal-iskola għar-rimi tal-iskart kimiku minflok fis-sink.

Is-sentenza li ta’ min tikteb

Taħt dawn il-kundizzjonijiet tal-agar, tal-konċentrazzjoni u tat-temperatura, il-front viżibbli tal-permanganat normalment jinfirex aktar malajr mill-front tal-blu tal-metilen. Dan huwa konsistenti mal-fatt li l-permanganat għandu diffużività effettiva akbar, l-aktar għax il-jone idratat tiegħu huwa ħafna iżgħar u ma jaggregax jew jintrabat mal-agar bħalma jagħmel il-blu tal-metilen. Il-massa molekulari hija korrelatata ma’ dik id-differenza fid-daqs hawnhekk, iżda l-massa waħedha ma tiddeterminax ir-rati tad-diffużjoni fil-likwidi jew fil-ġellijiet.

Klassi li tikteb dik is-sentenza tkun tgħallmet żewġ affarijiet: fatt dwar żewġ joni kkuluriti, u d-drawwa li tistaqsi x’tkejjel dimostrazzjoni qabel ma tafda dak li donnha tgħid.