निलो बोतल प्रयोग: रसायन, प्रक्रिया र अवलोकन

बेन्चमा एउटा पारदर्शी बोतल राखिएको छ। हेर्दा पानीजस्तै देखिन्छ। कसैले त्यसलाई हल्लाउँछ, र तरल चम्किलो निलो हुन्छ। तल राखेपछि एक वा दुई मिनेटभित्र निलो रङ हराउँछ। फेरि हल्लाउँदा निलो रङ फर्कन्छ। एउटै पटक भरिएको बोतलबाट यो प्रक्रिया बीस पटक वा अझ बढी दोहोर्याउन सकिन्छ।

विद्यार्थीहरूले प्रायः बोतलभित्र केही लुकेको थियो वा हल्लाउँदा दुई तह मिसिए भन्ने अनुमान गर्छन्। दुवै अनुमान उपयोगी रूपमा गलत साबित हुन्छन्। रङ एउटै रञ्जक, मेथिलिन ब्लूबाट आउँछ, जुन सम्पूर्ण तरलमा उपस्थित हुन्छ। परिवर्तन हुने कुरा रञ्जकले बोकेका इलेक्ट्रोनको संख्या हो। यो देख्न सकिने बनाइएको रेडक्स चक्र हो, र कक्षाले देख्न सक्ने प्रत्येक चर—हल्लाउने समय, तापक्रम, सान्द्रता—रसायनशास्त्रको कुनै न कुनै पदसँग सम्बन्धित हुन्छ।

एउटै रञ्जकका दुई रूप

अक्सिडाइज्ड मेथिलिन ब्लू समतल, धनावेशित रिङ प्रणाली हो। यसले 600 देखि 700 nanometres वरिपरि प्रकाश तीव्र रूपमा अवशोषित गर्छ, जसलाई आँखाले गाढा निलोका रूपमा देख्छ। यी दुई रूप र तिनका स्पेक्ट्राबारे मेथिलिन ब्लूको संरचना र गुणसम्बन्धी मार्गदर्शिका मा समेटिएको छ।

अपचयनले दुई इलेक्ट्रोन र एउटा प्रोटोन थप्छ, जसबाट ल्यूकोमेथिलिन ब्लू बन्छ: आवेशरहित, गैर-समतलीय र व्यवहारतः रङहीन। क्षारीय विलयनमा अर्ध-प्रतिक्रिया MB+ + H2O + 2 e- ⇌ LMB + OH- हुन्छ। यो चरण पूर्ण रूपमा उल्ट्याउन सकिन्छ। निलो भनेको अक्सिडाइज्ड अवस्था हो, रङहीन भनेको रिड्युस्ड अवस्था हो, र पछ्याउनुपर्ने तेस्रो अवस्था छैन। यही कारणले यसलाई रेडक्स रसायनशास्त्रसँगको सफा प्रारम्भिक परिचय बनाउँछ।

चक्र: ग्लुकोजले अपचयन गर्छ, अक्सिजनले पुनः अक्सिडाइज गर्छ

बोतलमा काम गर्ने तीन सामग्री हुन्छन्: मेथिलिन ब्लू, ग्लुकोज र शक्तिशाली क्षार, अर्थात् पोटासियम वा सोडियम हाइड्रोक्साइड। क्षारले ग्लुकोजलाई प्रतिक्रियाशील डिप्रोटोनेटेड रूपहरूमा लैजान्छ, जसले रञ्जकलाई इलेक्ट्रोन दिन्छ:

reducing sugar + MB (blue, oxidised) -> oxidised sugar products + LMB (colourless)

यो ढिलो चरणले बोतल स्थिर राख्दा रङ हटाउँछ। ग्लुकोज त्यागिने इलेक्ट्रोन दाता हो र प्रक्रियामा खपत हुन्छ। रञ्जकले केवल इलेक्ट्रोन ओसारपसार गर्छ, त्यसैले केही थोपा नै पूरै बोतलका लागि पर्याप्त हुन्छ। पुराना कक्षाकोठा विवरणहरूले ग्लुकोज ग्लुकोनिक एसिडमा बदलिन्छ भन्छन्। त्यो छोटकरीले अवलोकनहरूको पूर्वानुमान त गर्छ, तर प्रशिक्षकहरूले यो अपूर्ण हो भन्ने जान्नुपर्छ: Royal Society Open Science मा प्रकाशित यान्त्रिक विश्लेषण ले प्रतिक्रियाशील इनिडायोलेट हुँदै साना एसिडमा टुक्रिने डाइकार्बोनिलसम्म अक्सिडेसनको मार्ग देखाउँछ।

हल्लाउँदा देखिने परिणाम उल्टिन्छ। हल्लाइले बन्द हेडस्पेसको हावाबाट अक्सिजन घोल्छ, र अक्सिजनले रिड्युस्ड रञ्जकलाई पुनः अक्सिडाइज गर्छ:

LMB (colourless) + O2 -> MB (blue) + reduced oxygen products

स्थिर छोड्दा घुलित अक्सिजन सकिन्छ, ग्लुकोजले फेरि रञ्जकलाई रिड्युस गर्छ, र रङ फिक्का हुँदै जान्छ। धेरै चक्रपछि समग्र रसायनशास्त्र भनेको हावाले चिनीको अक्सिडेसन गर्नु हो, जबकि रञ्जक रेडक्स मध्यस्थका रूपमा अपरिवर्तित चक्रित हुन्छ। यो कडा अर्थमा उत्प्रेरक नभई मध्यस्थ हो, किनकि चिनीको अक्सिडेसन यसको अनुपस्थितिमा पनि हुन्छ। रङ फिक्का हुनु विघटन पनि होइन: नष्ट भएको रञ्जकलाई हल्लाएर फेरि सक्रिय बनाउन सकिँदैन। प्रदर्शनहरूबीच रञ्जकको स्टक स्थिर राख्न मेथिलिन ब्लू विलयनको ह्यान्डलिङ र भण्डारणसम्बन्धी टिप्पणीहरू हेर्नुहोस्।

निरीक्षणमा गरिने प्रदर्शनको प्रक्रिया

यो निरीक्षणमा गरिने प्रदर्शन हो, घरायसी गतिविधि होइन। क्षार प्रयोग गर्दा आँखाको सुरक्षा, पञ्जा र तयारी तथा सफाइको जिम्मा लिने प्रशिक्षक आवश्यक हुन्छ। दस्तावेजीकृत दुई सूत्रीकरण संरचनामा समान छन् र परिमाणमा फरक छन्।

Indiana University chemistry department ले प्रकाशित गरेको प्रदर्शन पछाडिको निर्देशनपत्रले लगभग 5 percent पोटासियम हाइड्रोक्साइड, 4 percent ग्लुकोज र 1 percent जलीय मेथिलिन ब्लू प्रयोग गर्छ। पारदर्शी 250 वा 500 millilitre बोतलमा क्षार र ग्लुकोज विलयन बराबर आयतनमा खन्याएर आधा भरिने गरी राख्नुहोस् र बाँकी भाग हावाको हेडस्पेसका रूपमा छोड्नुहोस्। रञ्जकका केही थोपा थप्नुहोस्, ढकनी लगाउनुहोस्, जोडिएको भाग सिल गर्नुहोस् र निलो रङ हटेसम्म स्थिर राख्नुहोस्। Royal Society of Chemistry को प्रक्रिया ले यही अवधारणालाई 1 litre स्टपरयुक्त फ्लास्कमा विस्तार गर्छ: 300 millilitres पानी, 10 grams ग्लुकोज, 8 grams पोटासियम हाइड्रोक्साइड (वा 6 grams सोडियम हाइड्रोक्साइड), साथै पातलो रञ्जक स्टकका केही millilitres।

प्रदर्शन गर्न, जोडले हल्लाउनुहोस्। पूर्ण निलो रङ केही सेकेन्डमै विकसित हुन्छ। फ्लास्क तल राखेर रङ फिक्का हुन लाग्ने समय नाप्नुहोस्। Royal Society of Chemistry ले एउटै पटक भरिएको फ्लास्कबाट बीसभन्दा बढी चक्र हुने रिपोर्ट गरेको छ। बोतल कहिल्यै मुखसम्म नभराउनुहोस्: बन्द हावा नभए घुल्नका लागि अक्सिजनको भण्डार हुँदैन।

के अवलोकन गर्ने, र के कुराले समय परिवर्तन गर्छ

तीन कुरा नाप्नुहोस्: पूर्ण निलो हुन हल्लाउनुपर्ने समय (seconds), रङहीन हुन स्थिर राख्नुपर्ने समय (केही मिनेटसम्म), र निलो कमजोर हुनुअघि हुने चक्रहरूको संख्या। प्रत्येक फिक्का हुने चरणको अन्त्यतिर सतह हेर्नुहोस्। हावा र तरलको सीमामा प्रायः निलोको पातलो तह केही समय टिकिरहन्छ, जहाँ अक्सिजन निरन्तर भित्र प्रसारित भइरहेको हुन्छ। त्यो रेखा देख्न सकिने बनाइएको विसरण हो।

निलो बोतल प्रतिक्रिया Royal Society of Chemistry को प्रक्रियासँग रिपोर्ट गरिएको अनुभवजन्य दर नियमअनुसार चल्छ: rate = k[MB oxidised][glucose]OH-। प्रत्येक पद आफैंमा कक्षाकोठाको प्रयोग बन्न सक्छ। बढी ग्लुकोज, क्षार वा रञ्जकले निलो रहने अवधि छोट्याउँछ। तापले रङ फिक्का हुने प्रक्रिया तीव्र बनाउँछ; चिसो फ्लास्क सुस्त हुन्छ। अझ जोडले हल्लाउँदा बढी अक्सिजन घुल्छ, त्यसैले निलो रङ लामो समय टिक्छ। ठूलो हेडस्पेसले प्रयोग लामो समय चलाउँछ। अन्ततः चक्र कमजोर हुँदा र तरल पहेँलो हुन थाल्दा चिनी सकिएको हुन्छ र सह-उत्पादनहरू जम्मा भएका हुन्छन्। त्यो अन्तिम अवस्था आफैंमा अभिलेख गर्न लायक परिणाम हो।

अवलोकन कार्यपत्र

यो तालिका नोटबुकमा सार्नुहोस्, प्रत्येक परीक्षणका लागि एउटा पङ्क्ति। यो कार्यपत्र र माथिको प्रतिक्रिया चित्र यस लेखका मुद्रणयोग्य सामग्री हुन्।

प्रत्येक परीक्षणअघि उत्तर दिनुपर्ने पूर्वानुमान प्रश्नहरू:

• हल्लाएलगत्तै बोतल निलो हुन्छ। रञ्जकको कुन रूप प्रमुख हुन्छ, र त्यसलाई त्यहाँ के कुराले पुर्‍यायो?
• बोतल स्थिर राख्दा रङ फिक्का हुन्छ। कुन प्रतिक्रिया हावी भइरहेको छ, र कुन सामग्री खपत भइरहेको छ?
• धेरै चक्रपछि निलो रङ फिक्का र पहेँलोतिर जान्छ। यसलाई रञ्जक, क्षार वा ग्लुकोजमध्ये कुनले पुनर्जीवित गर्छ, र किन?
• एउटा चक्रका लागि समयसँग रङको सम्बन्धको रेखाचित्र बनाउनुहोस्। अक्सिजन विलयनमा प्रवेश गर्ने स्थान चिन्ह लगाउनुहोस्।

प्रशिक्षकका उत्तरहरू: (1) अक्सिडाइज्ड मेथिलिन ब्लू, घुलित हेडस्पेस अक्सिजनले पुनः अक्सिडाइज गरेको; (2) ग्लुकोजद्वारा अपचयन, ग्लुकोज खपत हुन्छ; (3) ग्लुकोज, सीमित दाता, किनकि रञ्जक अपरिवर्तित रूपमा चक्रित हुन्छ; (4) हल्लाउँदा तीव्र वृद्धि, स्थिर राख्दा क्रमिक गिरावट, अक्सिजन प्रवेश केवल वृद्धिका क्रममा।

नाम जान्न लायक नजिकका समान प्रयोगहरू

ट्राफिक लाइट प्रदर्शनले इन्डिगो कार्मिन प्रयोग गर्छ र अक्सिजनेसनसँगै पहेँलो, रातो र हरियो अवस्थाहरू पार गर्छ। green bottle नाम अनौपचारिक रूपमा प्रयोग हुन्छ: कहिले त्यो प्रकारका लागि, कहिले एस्कार्बिक एसिड प्रणालीजस्ता अझ हरिया सूत्रीकरणहरू वा American Chemical Society ले वर्णन गरेको एन्जाइमेटिक साइकलिङ प्रणाली का लागि। बेन्चमा जुन प्रकार छ त्यसैको नाम प्रयोग गर्नुहोस्, ताकि विद्यार्थीहरूले फरक रसायनशास्त्रका अवलोकनहरू एकै ठानून्।

सुरक्षा र ह्यान्डलिङ

सम्पूर्ण प्रक्रियाभरि निरीक्षण आवश्यक छ। क्षारीय विलयन चलाउँदा वा स्टपर लगाइएको भाँडो हल्लाउँदा रासायनिक छिटाबाट बचाउने आँखाको सुरक्षा र पञ्जा प्रयोग गर्नुहोस्। क्षारले जलन गराउन सक्छ, रञ्जकले छाला र कपडामा दाग लगाउँछ, र इथानोलमा तयार गरिएका रञ्जक स्टकले बेन्चमा ज्वलनशील विलायक थप्छन्। हल्लाउँदा भाँडो बन्द राख्नुहोस्। त्यसपछि प्रयोग भइसकेका विलयनहरूलाई आफ्नो संस्थाको प्रयोगशाला नियमअनुसार व्यवस्थापन गर्न सुरक्षित राख्नुहोस्। क्षारीय तथा रञ्जकयुक्त फोहोरसम्बन्धी आवश्यकताहरू संस्था र अधिकारक्षेत्रअनुसार फरक हुन्छन्, त्यसैले अर्को स्रोतको प्रक्रिया अपनाउनुको सट्टा आफ्नो प्रयोगशालाले स्वीकृत गरेको प्रक्रिया पालना गर्नुहोस्।

यदि तपाईं रङ परिवर्तनको सट्टा संख्यात्मक परिणाम चाहनुहुन्छ भने, मेथिलिन ब्लूका परिमाणात्मक परीक्षणहरूले यो प्रदर्शन समाप्त हुने स्थानबाट अगाडि काम गर्छन्।

शिक्षकहरूले यो बोतल किन प्रयोग गरिरहन्छन्

एउटा फ्लास्कले चार विचारलाई एकै ठाउँमा समेट्छ। रेडक्स परिभाषा मात्र नभई रङका रूपमा देखिन्छ। मध्यस्थले कुनै पदार्थको सूक्ष्म मात्रा कसरी अर्को पदार्थको ठूलो परिमाणबारे संकेत दिन सक्छ भन्ने देखाउँछ। गतिविज्ञान र ऊष्मागतिकी देखिने गरी अलग हुन्छन्: हल्लाउँदा आपूर्ति भइरहेसम्म अक्सिजन हावी हुन्छ, आपूर्ति रोकिएपछि ग्लुकोज हावी हुन्छ। र रसायनशास्त्रको सबैभन्दा शान्त प्रक्रिया, विसरणले पूरै प्रदर्शन सम्भव बनाउँछ, किनकि प्रत्येक निलो चमक हावाबाट पानीमा अक्सिजन प्रवेश गरेपछि सुरु हुन्छ। स्टपवाच र तालिकाको सहायताले विद्यार्थीलाई यी सबै कुरा पूर्वानुमान गर्न, समय नाप्न र व्याख्या गर्न दिने प्रदर्शनले बेन्चमा आफ्नो स्थान कमाएको छ।