Blåflaskeeksperimentet: kjemi, fremgangsmåte og observasjoner

En klar flaske står på laboratoriebenken. Den ser ut som om den inneholder vann. Noen rister den, og væsken blir intenst blå. Når den settes ned, forsvinner blåfargen i løpet av ett eller to minutter. Rist den igjen, og blåfargen kommer tilbake. Én fylling kan gjenta dette tjue ganger eller mer.

Elever gjetter ofte at noe var skjult i flasken, eller at ristingen blandet to lag. Begge gjetningene viser seg på lærerikt vis å være feil. Fargen kommer fra ett enkelt fargestoff, metylenblått, som finnes i hele løsningen. Det som endrer seg, er hvor mange elektroner fargestoffet bærer. Demonstrasjonen gjør en redokssyklus synlig, og hver variabel klassen kan observere – ristetid, temperatur og konsentrasjon – tilsvarer et ledd i kjemien.

To former av det samme fargestoffet

Oksidert metylenblått er et flatt, positivt ladet ringsystem. Det absorberer sterkt rundt 600 til 700 nanometres, noe øyet oppfatter som dypblått. De to formene og spektrene deres omtales i veiledningen til strukturen og egenskapene til metylenblått.

Reduksjon tilfører to elektroner og ett proton og danner leukometylenblått: uladet, ikke-planart og i praksis fargeløst. I alkalisk løsning skrives halvreaksjonen MB+ + H2O + 2 e- ⇌ LMB + OH-. Trinnet er fullstendig reversibelt. Blått betyr oksidert, fargeløst betyr redusert, og det finnes ingen tredje tilstand å holde styr på. Det er dette som gjør forsøket til en ryddig første introduksjon til redokskjemi.

Syklusen: glukose reduserer, oksygen reoksiderer

Flasken inneholder tre aktive ingredienser: metylenblått, glukose og sterk base, kalium- eller natriumhydroksid. Basen fremmer dannelsen av reaktive deprotonerte former av glukose som avgir elektroner til fargestoffet:

reduserende sukker + MB (blått, oksidert) -> oksiderte sukkerprodukter + LMB (fargeløst)

Dette langsomme trinnet fjerner fargen mens flasken står i ro. Glukose er offerdonoren og forbrukes. Fargestoffet transporterer bare elektroner, så noen få dråper er nok til en hel flaske. Eldre beskrivelser av undervisningsforsøket sier at glukose blir til glukonsyre. Denne forenklingen forutsier observasjonene, men undervisere bør vite at den er ufullstendig: en mekanistisk analyse publisert i Royal Society Open Science følger oksidasjonen via et reaktivt enediolat til en dikarbonylforbindelse som spaltes til mindre syrer.

Risting reverserer det synlige resultatet. Bevegelsen løser oksygen fra luften i hulrommet over væsken, og oksygen reoksiderer det reduserte fargestoffet:

LMB (fargeløst) + O2 -> MB (blått) + reduserte oksygenprodukter

Når flasken får stå, brukes det oppløste oksygenet opp, glukose reduserer fargestoffet på nytt, og fargen blekner. Over mange sykluser er nettokjemien oksidasjon av sukker med luft, mens fargestoffet går gjennom syklusen uendret som en redoksmediator. Det er en mediator snarere enn en streng katalysator, siden sukkeroksidasjonen skjer uten den, og blekningen skyldes ikke nedbrytning: ødelagt fargestoff kunne ikke ha fått tilbake fargen ved risting. For å holde fargestofflagre stabile mellom demonstrasjoner, se merknadene om håndtering og oppbevaring av løsninger med metylenblått.

Fremgangsmåte for en veiledet demonstrasjon

Dette er en veiledet demonstrasjon, ikke en aktivitet for hjemmet. Basen krever øyevern, hansker og en ansvarlig underviser som står for klargjøring og opprydding. To dokumenterte formuleringer følger samme oppbygning, men har ulik skala.

Instruksjonsarket bak demonstrasjonen publisert av kjemiavdelingen ved Indiana University bruker omtrent 5 percent kaliumhydroksid, 4 percent glukose og 1 percent metylenblått i vannløsning. Hell like volumer av base- og glukoseløsningene i en gjennomsiktig flaske på 250 or 500 millilitre til den er halvfull, og la resten være et luftfylt hulrom. Tilsett noen dråper fargestoff, sett på korken, forsegl skjøten og la flasken stå til blåfargen forsvinner. Fremgangsmåten fra Royal Society of Chemistry skalerer den samme ideen opp til en 1 litre kolbe med propp: 300 millilitres vann, 10 grams glukose, 8 grams kaliumhydroksid (eller 6 grams natriumhydroksid), pluss noen få millilitres fortynnet fargestoffløsning.

Rist kraftig for å utføre forsøket. Full blåfarge utvikles i løpet av sekunder. Sett kolben ned og mål tiden det tar før fargen blekner. Royal Society of Chemistry oppgir mer enn tjue sykluser per fylling. Fyll aldri flasken helt opp: uten innestengt luft finnes det ingen oksygenreserve som kan løses opp.

Hva du skal observere, og hva som påvirker tiden

Mål tre ting: risting til full blåfarge (seconds), tiden i ro til fargeløs (up to a few minutes), og antallet sykluser før blåfargen svekkes. Mot slutten av hver blekning bør du følge med på overflaten. Et tynt blått lag blir ofte liggende igjen ved grenseflaten mot luften, der oksygen fortsetter å diffundere inn. Denne linjen gjør diffusjon synlig.

Blåflaskereaksjonen følger den empiriske hastighetsloven som oppgis sammen med fremgangsmåten fra Royal Society of Chemistry: rate = k[MB oxidised][glucose]OH-. Hvert ledd kan undersøkes i et undervisningsforsøk. Mer glukose, base eller fargestoff forkorter perioden med blåfarge. Varme får blekningen til å gå raskere; en kald kolbe reagerer tregt. Kraftigere risting løser mer oksygen, slik at blåfargen varer lenger. Et større luftfylt hulrom forlenger forsøket. Når syklusene til slutt svekkes og væsken blir gulaktig, er sukkeret brukt opp og biprodukter har samlet seg. Dette endepunktet er i seg selv et resultat det er verdt å registrere.

Observasjonsskjema

Kopier denne tabellen inn i notatbøkene, én rad per forsøk. Dette skjemaet og reaksjonsdiagrammet ovenfor er de utskrivbare ressursene til denne artikkelen.

Prediksjonsspørsmål, besvart før hvert forsøk:

• Flasken er blå rett etter risting. Hvilken form av fargestoffet dominerer, og hva fikk den dit?
• Flasken står i ro og blekner. Hvilken reaksjon dominerer, og hvilken ingrediens brukes opp?
• Etter mange sykluser blir blåfargen svak og gulaktig. Skal den gjenopplives med fargestoff, base eller glukose, og hvorfor?
• Skisser farge mot tid for én syklus. Marker hvor oksygen kommer inn i løsningen. Lærersvar: (1) oksidert metylenblått, reoksidert av oppløst oksygen fra luftrommet; (2) reduksjon med glukose, glukose forbrukes; (3) glukose, den begrensende donoren, siden fargestoffet går gjennom syklusen uendret; (4) bratt økning ved risting, gradvis fall når flasken står i ro, oksygen kommer inn bare under økningen.

Nære slektninger det er verdt å navngi

Trafikklysdemonstrasjonen erstatter metylenblått med indigokarmin og går gjennom gult, rødt og grønt ved oksygenering. Navnet grønn flaske brukes løst: noen ganger om denne varianten, andre ganger om grønnere formuleringer som systemer med askorbinsyre eller et enzymatisk syklingssystem beskrevet av American Chemical Society. Navngi den varianten som faktisk står på laboratoriebenken, slik at elevene ikke blander observasjoner fra ulike kjemiske systemer.

Sikkerhet og håndtering

Tilsyn hele tiden. Bruk øyevern mot kjemikaliesprut og hansker ved håndtering av den alkaliske løsningen eller risting av beholderen med propp. Base kan gi etseskader, fargestoffet setter flekker på hud og tekstiler, og fargestoffløsninger fremstilt i etanol tilfører et brannfarlig løsemiddel på laboratoriebenken. Hold beholderen lukket med propp under risting. Etterpå skal brukte løsninger oppbevares for håndtering i henhold til laboratoriets egne regler. Krav til alkalisk avfall som inneholder fargestoff varierer mellom institusjoner og jurisdiksjoner, så følg prosedyren laboratoriet ditt bruker, i stedet for å overføre en prosedyre fra en annen kilde.

Hvis du vil ha tall i stedet for fargeendringer, tar kvantitative analyser av metylenblått over der denne demonstrasjonen slutter.

Hvorfor lærere fortsetter å bruke denne flasken

Én kolbe samler fire ideer. Redoks blir en farge i stedet for en definisjon. En mediator viser hvordan en spormengde av ett stoff kan rapportere om en langt større mengde av et annet. Kinetikk skilles synlig fra termodynamikk: oksygen dominerer mens ristingen tilfører det, glukose dominerer når tilførselen stopper. Og diffusjon, den stilleste prosessen i kjemien, muliggjør hele demonstrasjonen, fordi hvert blått glimt begynner med at oksygen går fra luft til vann. En demonstrasjon som lar elevene forutsi, ta tiden på og forklare alt dette med en stoppeklokke og en tabell, har fortjent plassen sin på laboratoriebenken.