Poskus z modro steklenico: kemija, postopek in opazovanja

Na laboratorijski mizi stoji prozorna steklenica. Videti je, kot da vsebuje vodo. Nekdo jo strese in tekočina postane živo modra. Ko jo odložimo, modra barva v minuti ali dveh izgine. Če jo znova stresemo, se modra barva vrne. Z enim polnjenjem je mogoče postopek ponoviti dvajsetkrat ali več.

Učenci običajno ugibajo, da se v steklenici nekaj skriva ali da stresanje zmeša dve plasti. Obe domnevi se izkažeta za poučno napačni. Barva izvira iz enega samega barvila, metilenskega modrila, ki je prisotno po vsej tekočini. Spreminja se število elektronov, ki jih barvilo nosi. Demonstracija je viden redoks cikel, vsaka spremenljivka, ki jo razred lahko opazuje — čas stresanja, temperatura, koncentracija — pa ustreza posameznemu dejavniku v kemiji reakcije.

Dve obliki istega barvila

Oksidirano metilensko modrilo je raven, pozitivno nabit obročni sistem. Močno absorbira svetlobo pri približno 600 do 700 nanometrih, kar oko zazna kot temno modro. Obe obliki in njuna spektra sta obravnavana v vodniku po strukturi in lastnostih metilenskega modrila.

Pri redukciji se dodata dva elektrona in proton, pri čemer nastane levkometilensko modrilo: nenabito, neplanarno in praktično brezbarvno. V alkalni raztopini je polreakcija zapisana kot MB+ + H2O + 2 e- ⇌ LMB + OH-. Korak je popolnoma reverzibilen. Modra pomeni oksidirano, brezbarvna pomeni reducirano, tretjega stanja, ki bi ga bilo treba spremljati, pa ni, zato je to primeren prvi stik z redoks kemijo.

Cikel: glukoza reducira, kisik ponovno oksidira

Steklenica vsebuje tri delujoče sestavine: metilensko modrilo, glukozo in močno bazo, kalijev ali natrijev hidroksid. Baza spodbuja nastanek reaktivnih deprotoniranih oblik glukoze, ki oddajajo elektrone barvilu:

reducirajoči sladkor + MB (moder, oksidiran) -> oksidirani produkti sladkorja + LMB (brezbarven)

Ta počasni korak med mirovanjem steklenice odpravi barvo. Glukoza je žrtveni donor in se porablja. Barvilo zgolj prenaša elektrone, zato nekaj kapljic zadostuje za celo steklenico. Starejši opisi za uporabo v učilnici navajajo, da se glukoza pretvori v glukonsko kislino. Ta poenostavitev pravilno napove opažanja, vendar morajo izvajalci vedeti, da ni popolna: mehanistična analiza, objavljena v Royal Society Open Science, sledi oksidaciji prek reaktivnega enediolata do dikarbonilne spojine, ki razpade na manjše kisline.

Stresanje obrne vidni rezultat. Mešanje raztaplja kisik iz ujetega zraka v prostoru nad tekočino, kisik pa ponovno oksidira reducirano barvilo:

LMB (brezbarven) + O2 -> MB (moder) + reducirani produkti kisika

Med mirovanjem se raztopljeni kisik porabi, glukoza ponovno reducira barvilo in barva zbledi. Po številnih ciklih je neto kemijski proces oksidacija sladkorja z zrakom, medtem ko barvilo nespremenjeno kroži kot redoks mediator. Je mediator in ne strogo gledano katalizator, saj oksidacija sladkorja poteka tudi brez njega, bledenje pa ni razgradnja: uničenega barvila s stresanjem ne bi bilo mogoče obnoviti. Za ohranjanje stabilnosti zalog barvila med demonstracijami glejte opombe o ravnanju z raztopinami metilenskega modrila in njihovem shranjevanju.

Postopek za nadzorovano demonstracijo

To je nadzorovana demonstracija, ne dejavnost za domačo izvedbo. Zaradi baze so potrebni zaščita za oči, rokavice in izvajalec, ki je odgovoren za pripravo in čiščenje. Dve dokumentirani formulaciji imata enako osnovno zasnovo, razlikujeta pa se po merilu.

Navodila za demonstracijo, kot jo je objavil oddelek za kemijo Univerze Indiana, uporabljajo približno 5 odstotkov kalijevega hidroksida, 4 odstotke glukoze in 1 odstotek vodne raztopine metilenskega modrila. V prozorno steklenico s prostornino 250 ali 500 mililitrov vlijte enaka volumna raztopine baze in glukoze, dokler ni napolnjena do polovice, preostanek pa pustite kot zračni prostor. Dodajte nekaj kapljic barvila, zaprite steklenico, zatesnite stik pokrova in pustite stati, dokler modra barva ne izgine. Postopek Royal Society of Chemistry isto zasnovo poveča na 1 litrsko bučko z zamaškom: 300 mililitrov vode, 10 gramov glukoze, 8 gramov kalijevega hidroksida (ali 6 gramov natrijevega hidroksida) ter nekaj mililitrov razredčene osnovne raztopine barvila.

Za izvedbo močno stresite. Polna modra barva se razvije v nekaj sekundah. Bučko odložite in izmerite čas bledenja. Royal Society of Chemistry navaja več kot dvajset ciklov na eno polnjenje. Steklenice nikoli ne napolnite do roba: brez ujetega zraka ni zaloge kisika, ki bi se lahko raztopila.

Kaj opazovati in kaj spreminja časovni potek

Merite tri stvari: čas stresanja do polne modre barve (sekunde), čas mirovanja do brezbarvnega stanja (do nekaj minut) in število ciklov, preden modra barva oslabi. Proti koncu vsakega bledenja opazujte površino. Na meji z zrakom pogosto ostane tanka modra plast, kjer kisik še naprej difundira v tekočino. Ta črta je vidna difuzija.

Reakcija modre steklenice sledi empiričnemu zakonu hitrosti, navedenemu pri postopku Royal Society of Chemistry: rate = k[MB oxidised][glucose]OH-. Vsak člen predstavlja poskus, ki ga je mogoče izvesti v učilnici. Več glukoze, baze ali barvila skrajša obdobje modre barve. Toplota pospeši bledenje; hladna bučka postane počasna. Močnejše stresanje raztopi več kisika, zato modra barva traja dlje. Večji zračni prostor podaljša trajanje poskusa. Ko cikli nazadnje oslabijo in tekočina porumeni, je sladkor porabljen, stranski produkti pa so se nakopičili. Tudi ta končna točka je rezultat, ki ga je vredno zabeležiti.

Delovni list za opazovanja

To tabelo prepišite v zvezke, po eno vrstico za vsak poskus. Ta delovni list in zgornji reakcijski diagram sta gradivi za tiskanje, ki spremljata ta članek.

Vprašanja za napoved, na katera odgovorite pred vsakim poskusom:

• Steklenica je takoj po stresanju modra. Katera oblika barvila prevladuje in kaj jo je privedlo v to stanje?
• Steklenica miruje in barva bledi. Katera reakcija prevladuje in katera sestavina se porablja?
• Po številnih ciklih modra barva postane šibka in rumenkasta. Ali jo je treba obnoviti z barvilom, bazo ali glukozo in zakaj?
• Narišite potek barve v odvisnosti od časa za en cikel. Označite, kje kisik vstopi v raztopino.

Odgovori za izvajalca: (1) oksidirano metilensko modrilo, ki ga ponovno oksidira raztopljeni kisik iz zračnega prostora; (2) redukcija z glukozo, pri kateri se glukoza porablja; (3) glukoza, omejujoči donor, saj barvilo kroži nespremenjeno; (4) strm porast med stresanjem, postopen padec med mirovanjem, vstop kisika samo med porastom.

Sorodne demonstracije, ki jih je vredno poznati

Pri demonstraciji semaforja je metilensko modrilo nadomeščeno z indigo karminom, pri oksigenaciji pa sistem prehaja skozi rumeno, rdečo in zeleno barvo. Izraz zelena steklenica se uporablja ohlapno: včasih za to različico, včasih za formulacije z izrazitejšo zeleno barvo, kot so sistemi z askorbinsko kislino ali encimski ciklični sistem, ki ga je opisalo American Chemical Society. Navedite ime različice, ki je dejansko na laboratorijski mizi, da učenci ne združujejo opažanj iz različnih kemijskih sistemov.

Varnost in ravnanje

Ves čas je potreben nadzor. Pri ravnanju z alkalno raztopino ali stresanju zaprte posode uporabljajte zaščito za oči pred brizganjem kemikalij in rokavice. Baza povzroča opekline, barvilo obarva kožo in tkanine, osnovne raztopine barvila, pripravljene v etanolu, pa na laboratorijsko mizo dodajo vnetljivo topilo. Med stresanjem naj bo posoda zaprta. Po koncu uporabljene raztopine zadržite za ravnanje v skladu z laboratorijskimi pravili vaše ustanove. Zahteve za alkalne odpadke, ki vsebujejo barvilo, se med ustanovami in pravnimi območji razlikujejo, zato upoštevajte postopek svojega laboratorija in ne prevzemajte postopka iz drugega vira.

Če želite številčne podatke namesto sprememb barve, se tam, kjer se ta demonstracija konča, začnejo kvantitativne metode določanja metilenskega modrila.

Zakaj učitelji vedno znova uporabljajo to steklenico

Ena sama bučka združi štiri zamisli. Redoks postane barva namesto definicije. Mediator pokaže, kako sled ene snovi poroča o veliki količini druge. Kinetika se vidno loči od termodinamike: kisik prevladuje, dokler ga dovaja stresanje, glukoza pa prevlada, ko se dovajanje ustavi. In difuzija, eden najtišjih procesov v kemiji, omogoča celoten pojav, saj se vsak modri blisk začne s prehodom kisika iz zraka v vodo. Demonstracija, pri kateri lahko učenci vse to napovejo, časovno izmerijo in razložijo zgolj s štoparico in tabelo, si upravičeno zasluži prostor na laboratorijski mizi.