मिथिलिन ब्लु र परम्याङ्गनेटको विसरण: अगर प्रयोगले के देखाउँछ

एक शिक्षकले अगर प्लेटमा दुईवटा खाल्डा बनाउँछन्, एउटामा नीलो रङ र अर्कोमा बैजनी घोल भर्छन्, अनि विद्यार्थीहरूलाई अवलोकन गर्न भन्छन्। एक घण्टापछि बैजनी घेरा बढी फराकिलो हुन्छ। विद्यार्थीहरूले पोटासियम परम्याङ्गनेट हलुका भएकाले मिथिलिन ब्लुभन्दा छिटो विसरित हुन्छ भनेर लेख्छन्।

यो वाक्य आधा सही र आधा भ्रामक छ, र भ्रामक आधा नै चाखलाग्दो पक्ष हो। यो प्रदर्शन विसरणसम्बन्धी एक मानक पाठ हो, जसको वर्णन उदाहरणका लागि यस अगर विसरण प्रयोगशाला अभ्यास मा गरिएको छ। तर विद्यार्थीहरूले देख्ने कुरा आणविक तौलको प्रभाव मात्र होइन। त्यो जेलभित्र देखिने रङको किनाराको गति हो, जसलाई आयनको आकार, जलयोजन, रङको बन्धन, सान्द्रता, तापक्रम र किनारा मापन गर्ने तरिकाले आकार दिन्छन्।

रङको किनारा विसरण गुणाङ्क होइन

विसरण भनेको घुलित कणहरू उच्च सान्द्रताबाट कम सान्द्रतातर्फ फैलिनु हो। सामान्यतया D लेखिने विसरण गुणाङ्कले निश्चित तापक्रममा, निश्चित माध्यममा, कुनै निश्चित विलेय कति छिटो फैलिन्छ भन्ने जनाउँछ।

कक्षाकोठामा प्रयोग गरिने प्लेटले D प्रत्यक्ष देखाउँदैन। यसले रङ यति फिक्का हुने सीमा देखाउँछ कि त्यो देख्न सकिँदैन। त्यो सीमा विसरणमा मात्र नभई रङको प्रकाश अवशोषण क्षमता, प्रकाश व्यवस्था, क्यामेराको एक्सपोजर, खाल्डामा राखिएको सान्द्रता र रुलर समात्ने व्यक्तिको निर्णयमा पनि निर्भर हुन्छ।

कक्षाकोठामा लिइने मापनलाई वास्तवमा जे हो, त्यही भन्नुहोस्: देखिने विसरण अग्रसीमाको गति। औपचारिक विश्लेषणले फिकीय विसरण विश्लेषण मा पाइने प्रकारका सम्बन्धमार्फत औसत वर्ग विस्थापनलाई D सँग जोड्छ। तर D निर्धारण गर्न समयसँगै सान्द्रताको वितरण चाहिन्छ, कक्षाको अन्त्यमा लिइएको एउटै व्यास पर्याप्त हुँदैन। एउटा प्रकाशित कक्षाकोठा अध्ययनले अन्तिम रङका धब्बाको आकार तुलना गर्नुको सट्टा दूरीको वर्गलाई समयसँग आलेखमा उतारेर जेलमा मिथिलिन ब्लुको विसरणशीलता करिब 4.5 गुणा 10^-10 m^2/s निकालेको थियो। एउटै क्षणको तस्बिरले त्यो काम गर्न सक्दैन।

प्रदर्शनको मूल अवधारणा यही हो, र बाँकी सबै कुरा प्लेटले यसलाई कति सही रूपमा प्रतिनिधित्व गर्छ भन्ने विवरण हुन्।

दुई रङीन आयन, दुई अणु होइनन्

कुनै पनि विलेय अगरभित्र बोतलमा छापिएको सूत्रकै रूपमा यात्रा गर्दैन। दुवै प्रबल विद्युत् अपघट्य हुन्, जो पानीमा विघटन हुन्छन्।

पोटासियम परम्याङ्गनेट (KMnO4, सूत्र द्रव्यमान करिब 158.03 g/mol) पोटासियम आयन र परम्याङ्गनेट आयनमा छुट्टिन्छ। बैजनी रङसहित चल्ने कण पानीको आवरणले घेरिएको परम्याङ्गनेट आयन MnO4^- हो, जसको द्रव्यमान करिब 118.94 g/mol हुन्छ। मिथिलिन ब्लु क्लोराइड (निर्जल लवण C16H18ClN3S, करिब 319.85 g/mol) क्लोराइड र नीलो जैविक धनायन MB^+ मा छुट्टिन्छ। यो धनायनको द्रव्यमान करिब 284.41 g/mol हुन्छ र यो पनि जलयोजित हुन्छ। NIST को मिथिलिन ब्लु अभिलेख र ChEBI को मिथिलिन ब्लु प्रविष्टि ले यी रूपहरू अभिलेखित गरेका छन्। रसायन र संरचनासम्बन्धी सन्दर्भ ले धनायन, निर्जल लवण र हाइड्रेटहरूका लागि छुट्टाछुट्टै नाम किन चाहिन्छ भन्ने व्याख्या गर्छ।

यसबाट तीनवटा निष्कर्ष निस्कन्छन्।

पहिलो, 158 लाई 320 सँग तुलना गर्दा रङीन आयनहरूबीचको वास्तविक आकारको अन्तर कम देखिन्छ। करिब 119 g/mol भएको बैजनी कण करिब 284 g/mol भएको नीलो धनायनभन्दा धेरै सानो हुन्छ, र दुवैका जलयोजन आवरणले तिनको प्रभावकारी आकार बढाउँछन्।

दोस्रो, मिथिलिन ब्लुका धनायनहरू वस्तुहरूमा टाँसिन्छन्। सान्द्रता बढ्दै जाँदा तिनले द्विलक र अझ ठूला समूह बनाउँछन्, र अगरको सतहमा अधिशोषित हुन्छन्। अगरमा अधिशोषणसम्बन्धी अध्ययनहरू मा एकलक र द्विलक दुवैको बन्धन रिपोर्ट गरिएको छ। अधिशोषित रङ स्थिर रहन्छ। यसले अग्रसीमा अगाडि नबढाई जेललाई रङ दिन्छ।

तेस्रो, सामान्य अभिकर्मक पाउडर हाइड्रेट हुन्छ, त्यसैले तौलेको एक ग्राममा क्रिस्टलभित्रको पानी पनि समावेश हुन्छ। ट्राइहाइड्रेट र निर्जल रूपको तुलना ले यसले मोलरता कसरी बदल्छ भन्ने देखाउँछ। कक्षाकोठामा निष्पक्ष तुलना गर्न लवणहरूको समान मोलर सान्द्रतामा घोल तयार गर्नुहोस् र कुन ठोस रूप प्रयोग गरिएको थियो भन्ने अभिलेख राख्नुहोस्।

यहाँ हलुका हुनुको अर्थ छिटो हुनु किन होइन

पातला तरल घोलमा द्रव्यमानभन्दा राम्रो प्रारम्भिक मोडेल स्टोक्स–आइन्स्टाइनको अवधारणा हो। यसमा विसरणशीलता तापक्रमसँग समानुपाती र श्यानता तथा द्रवगतिज त्रिज्यासँग व्युत्क्रमानुपाती हुन्छ। सानो जलयोजित आकार भएको कण छिटो फैलिन्छ। एउटै रासायनिक परिवारभित्र कम द्रव्यमान प्रायः सानो आकारसँग सम्बन्धित हुन्छ, त्यसैले हलुका हुनु नै व्याख्या हो जस्तो लाग्न सक्छ। यो सहसम्बन्ध हो, कार्यप्रणाली होइन।

ग्राहमको नियमअनुसार ग्यासको सूक्ष्म प्वालबाट निस्कने दर मोलर द्रव्यमानको वर्गमूलसँग व्युत्क्रमानुपाती हुन्छ। तर यो नियम यस प्लेटमा लागू हुँदैन। यसको व्युत्पत्ति ग्यासको गतिज सिद्धान्तमा आधारित छ, जसको सार यस ग्यासको सूक्ष्म प्वालबाट निकास र विसरणसम्बन्धी OpenStax विवरण मा दिइएको छ। तरलमा श्यान अवरोध, जलयोजन, आकारका प्रभाव र कणहरूको भिड थपिन्छन्। जेलमा छिद्रको संरचना, बाङ्गोटिङ्गो मार्ग, अधिशोषण र बहुलकसँग आवेशीय अन्तरक्रिया पनि थपिन्छन्।

अङ्कहरूले यो अन्तर स्पष्ट पार्छन्। 158 र 320 मा ग्राहमको नियम लागू गर्दा दरको अनुपात करिब 1.42 हुने अनुमान आउँछ। पानीका पातला घोलमा मापन गरिएका विसरणशीलताले फरक कुरा देखाउँछन्: परम्याङ्गनेटको करिब 1.6 देखि 1.8 गुणा 10^-9 m^2/s र मिथिलिन ब्लुको करिब 4.5 देखि 5 गुणा 10^-10 m^2/s, अर्थात् अनुपात 3 वा 4 को नजिक। द्रव्यमानले मात्र त्यो अनुपात उत्पन्न गर्न सक्दैन। जलयोजित आकार, समूह बन्ने प्रक्रिया र जेलसँगको बन्धनले बाँकी अन्तर ल्याउँछन्।

हलुका कण छिटो फैलिन्छ भन्ने धारणालाई केही मान्यतामा आधारित मोडेलका रूपमा लिनुहोस्: गोलाकार कण, बन्धन नहुनु, समूह नबन्नु र समान अवस्था। यस प्लेटमा तीमध्ये कम्तीमा दुईवटा मान्यता पूरा हुँदैनन्।

निष्पक्ष तुलना कसरी गर्ने

यो प्रदर्शन सफ्टवेयर असफल भएझैँ असफल हुन्छ: मूल विचार सही हुन्छ, तर विचारलाई मापनमा उतार्ने प्रक्रियामा धेरै जोखिम हुन्छन्। यस्ता प्रत्येक कुराले कुनै पनि आणविक गुण नबदली उत्तर बदल्छ।

एउटै ब्याचको अगर एउटै गहिराइमा खन्याउनुहोस्, खाल्डा बनाउने एउटै उपकरण प्रयोग गर्नुहोस्, तरलको आयतन र मोलर सान्द्रता समान राख्नुहोस्, र मिथिलिन ब्लुको समूह बन्ने प्रक्रिया सीमित गर्न तथा रङलाई असन्तृप्त राख्न पर्याप्त कम सान्द्रता प्रयोग गर्नुहोस्। प्रत्येक विलेयका लागि कम्तीमा तीनवटा दोहोरिएका खाल्डा बनाउनुहोस् र तिनका अग्रसीमा कहिल्यै नजोडिने गरी दूरी राख्नुहोस्। भाँडाहरू छोप्नुहोस्, समतल राख्नुहोस् र तापक्रम स्थिर राख्नुहोस्, किनभने अगरमा रङसम्बन्धी अध्ययनले बलियो तापक्रम र सान्द्रतामाथिको निर्भरता देखाउँछ। घोल भर्ने क्षणलाई प्रारम्भिक समय मान्नुहोस्, र मापन गर्नुअघि किनाराको परिभाषा तय गर्नुहोस्: तस्बिरमा निश्चित सीमा प्रयोग गर्नु आँखाले अनुमान गरेको सीमाभन्दा राम्रो हुन्छ, किनकि नीलो र बैजनी रङका दृश्य पहिचान सीमा फरक हुन्छन्। प्रत्येक धब्बाका दुईवटा परस्पर लम्ब व्यास अभिलेख गर्नुहोस् र तिनलाई औसत त्रिज्यामा रूपान्तरण गर्नुहोस्। त्रिज्या र व्यासमा भ्रम हुँदा दूरीको वर्गसम्बन्धी कुनै पनि आलेखमा चार गुणाको त्रुटि आउँछ।

लेबलहरू: बायाँ खण्डले प्रत्येक अग्रसीमाका लागि खाल्डाको किनारादेखि रङको किनारासम्म माथिबाट मापन गरिएको त्रिज्या देखाउँछ; दायाँ खण्डले खाल्डाको गहिराइ र बाहिरतिर फैलिएका सान्द्रता ढालका घेरासहित अगरको अनुप्रस्थ काट देखाउँछ; सङ्केत-सूचीले नियन्त्रण गरिएका चरहरू (अगरको प्रतिशत, मोटाइ, रङको मोलरता, आयतन, खाल्डाको आकार, तापक्रम, प्रारम्भिक समय, प्रकाश व्यवस्था) देखाउँछ।

भ्रामक प्रभावहरूमा ध्यान दिनुहोस्। अगरको सतहमा पोखिएर फैलिएको तरल छिटो विसरणजस्तो देखिन्छ, र साना अगर खाल्डामा यो प्रयोगजन्य त्रुटि अभिलेखित छ। परम्याङ्गनेट प्रबल अक्सिकारक हो र जैविक पदार्थका सूक्ष्म अवशेषसँग प्रतिक्रिया गरेर खर्च हुन सक्छ, जसले यसको अग्रसीमालाई रोक्छ वा रङ फिक्का बनाउँछ। मिथिलिन ब्लु अक्सिडेसन–अपचयनमा सक्रिय हुन्छ र प्रकाशमा वा अपचायक अवस्थामा फिक्का हुन सक्छ; मिथिलिन ब्लु र यसको रङहीन अपचयित रूपको अक्सिडेसन–अपचयन रसायन ले यो व्यवहारको व्याख्या गर्छ।

विलायकबारे छोटो टिप्पणी: मानक प्रदर्शनका दुवै खाल्डामा जलीय घोल हुन्छन्। कुनै कार्यविधिले विलायक परिवर्तन गर्छ भने पहिले घुलनशीलता र घोल तयारी मार्गदर्शिका हेर्नुहोस्, किनकि माध्यमअनुसार घुलनशीलता र समूह बन्ने प्रक्रिया बदलिन्छन्।

कक्षाकोठा अवलोकन कार्यपत्र

यो तालिका कापीमा सार्नुहोस् वा प्रत्येक खाल्डाका लागि एउटा पङ्क्ति छाप्नुहोस्। प्रत्येक भाँडाका लागि एउटा तालिका राख्दा दोहोरिएका परीक्षणहरूको अभिलेख स्पष्ट रहन्छ।

विश्लेषणका लागि प्रत्येक खाल्डाको औसत त्रिज्याको वर्गलाई बितेको समयसँग आलेखमा उतार्नुहोस् र ढलानहरू तुलना गर्नुहोस्। आलेखसँगै किनाराको परिभाषा पनि उल्लेख गर्नुहोस्। सबै छवटा वक्र तिनको फैलावटसहित देखाइएमा विद्यार्थीहरूले भिन्नतालाई लाजको विषय नभई तथ्याङ्कका रूपमा बुझ्छन्।

सुरक्षा कार्यविधिको अङ्ग हो: पञ्जा र आँखाको सुरक्षा साधन लगाउनुहोस्, किनकि मिथिलिन ब्लुले छाला र लुगामा दाग लगाउँछ र परम्याङ्गनेट दाग लगाउने तथा जलन गराउने अक्सिकारक हो। घोल मुखमा नपार्नुहोस्, ट्रेमाथि काम गर्नुहोस्, र प्लेट तथा तरललाई सिङ्कमा खन्याउनुको सट्टा विद्यालयको रासायनिक फोहोर व्यवस्थापन प्रक्रियाबाट विसर्जन गर्नुहोस्।

लेखेर राख्न योग्य वाक्य

अगर, सान्द्रता र तापक्रमका यी अवस्थाहरूमा देखिने परम्याङ्गनेट अग्रसीमा सामान्यतया मिथिलिन ब्लुको अग्रसीमाभन्दा छिटो फैलिन्छ। यो परम्याङ्गनेटको प्रभावकारी विसरणशीलता बढी हुनुसँग मेल खान्छ। यसको मुख्य कारण यसको जलयोजित आयन धेरै सानो हुनु र मिथिलिन ब्लुले जस्तो समूह नबनाउनु वा अगरसँग नबाँधिनु हो। यहाँ आणविक द्रव्यमान त्यो आकारको अन्तरसँग सम्बन्धित छ, तर द्रव्यमानले मात्र तरल वा जेलमा विसरणको दर निर्धारण गर्दैन।

यो वाक्य लेख्ने विद्यार्थीहरूले दुईवटा कुरा सिकेका हुन्छन्: दुई रङीन आयनबारे एउटा तथ्य, र कुनै प्रदर्शनले भन्न खोजेजस्तो देखिने कुरालाई विश्वास गर्नुअघि त्यसले के मापन गर्छ भनेर सोध्ने बानी।