Difuzioni i blusë së metilenit dhe permanganatit: çfarë tregon eksperimenti me agar

Një mësues hap dy gropëza në një pjatë me agar, mbush njërën me ngjyrues blu dhe tjetrën me tretësirë vjollcë dhe i thotë klasës të vëzhgojë. Një orë më vonë, unaza vjollcë është më e gjerë. Klasa shkruan se permanganati i kaliumit difuzon më shpejt se bluja e metilenit, sepse është më i lehtë.

Kjo fjali është gjysmë e saktë dhe gjysmë çorientuese, dhe pjesa çorientuese është ajo interesantja. Demonstrimi është një mësim standard për difuzionin, i përshkruar, për shembull, në këtë ushtrim laboratorik për difuzionin në agar, por ajo që shohin nxënësit nuk është masa molekulare në veprim. Është lëvizja e një skaji të dukshëm të ngjyrës përmes një xheli, e ndikuar nga madhësia e joneve, hidratimi, lidhja e ngjyruesit, përqendrimi, temperatura dhe mënyra se si matet skaji.

Skaji i ngjyrosur nuk është koeficienti i difuzionit

Difuzioni është përhapja e grimcave të tretura nga përqendrimi i lartë drejt përqendrimit të ulët. Koeficienti i difuzionit, që zakonisht shënohet D, përshkruan sa shpejt ndodh kjo përhapje për një substancë të tretur të caktuar, në një mjedis të caktuar dhe në një temperaturë të caktuar.

Një pjatë në klasë nuk e tregon drejtpërdrejt D. Ajo tregon një kufi ku ngjyra bëhet tepër e zbehtë për t'u parë. Ky kufi varet nga aftësia përthithëse e ngjyruesit, ndriçimi, ekspozimi i kamerës, përqendrimi i vendosur në gropëz dhe gjykimi i personit që mban vizoren, si edhe nga vetë difuzioni.

Quajeni matjen në klasë atë që është: lëvizja e një fronti të dukshëm difuzioni. Trajtimet formale e lidhin zhvendosjen mesatare në katror me D përmes marrëdhënieve të formës që gjendet në analizën e difuzionit sipas Fick-ut, por përcaktimi i D përmes përshtatjes së modelit kërkon profile përqendrimi gjatë kohës, jo një diametër të vetëm në fund të orës së mësimit. Një studim i publikuar në kontekstin e mësimdhënies nxori një koeficient difuzioni të blusë së metilenit afër 4.5 herë 10^-10 m^2/s në xhel, duke paraqitur në grafik largësinë në katror kundrejt kohës, në vend që të krahasonte madhësitë përfundimtare të njollave. Një pamje e vetme nuk mund ta kryejë këtë punë.

Ky është koncepti që qëndron pas demonstrimit, dhe gjithçka tjetër është hollësi që lidhet me sa besnikërisht e përfaqëson pjata këtë koncept.

Dy jone të ngjyrosura, jo dy molekula

Asnjëra nga substancat e tretura nuk lëviz nëpër agar në formën e formulës së shtypur në shishe. Të dyja janë elektrolite të forta që disociohen në ujë.

Permanganati i kaliumit (KMnO4, masë formulare rreth 158.03 g/mol) ndahet në jone kaliumi dhe jone permanganati. Grimca vjollcë që lëviz është joni permanganat MnO4^-, me masë rreth 118.94 g/mol, i rrethuar nga një mbështjellës uji. Kloruri i blusë së metilenit (kripa anhidre C16H18ClN3S, rreth 319.85 g/mol) ndahet në jonin klorur dhe kationin organik blu MB^+, me masë rreth 284.41 g/mol, gjithashtu i hidratuar. Regjistrimi i blusë së metilenit në NIST dhe zëri për blunë e metilenit në ChEBI i dokumentojnë këto forma, ndërsa referenca për kiminë dhe strukturën shpjegon pse kationi, kripa anhidre dhe hidratet kanë nevojë për emërtime të veçanta.

Nga kjo rrjedhin tri pasoja.

Së pari, krahasimi i 158 me 320 e nënvlerëson dallimin real në madhësi midis joneve të ngjyrosura, pasi forma vjollcë me rreth 119 g/mol është shumë më e vogël se kationi blu me rreth 284 g/mol, dhe të dy kanë mbështjellës hidratimi që ua rrisin madhësinë efektive.

Së dyti, kationet e blusë së metilenit ngjiten në materiale. Ata formojnë dimere dhe agregate më të mëdha me rritjen e përqendrimit dhe adsorbohen në agar; lidhja si e monomerit, ashtu edhe e dimerit është raportuar në studime të adsorbimit në agar. Ngjyruesi i adsorbuar qëndron i palëvizshëm. Ai e ngjyros xhelin pa e çuar frontin përpara.

Së treti, pluhuri i zakonshëm i reagentit është një hidrat, prandaj një gram i peshuar përmban ujë në kristal. Krahasimi i trihidratit me formën anhidre tregon se si kjo e ndryshon molaritetin. Për një krahasim të drejtë në klasë, përgatitini tretësirat me përqendrime molare të barabarta të kripërave dhe shënoni cila formë e ngurtë është përdorur.

Pse më i lehtë nuk do të thotë më i shpejtë këtu

Në lëngje me përqendrime të ulëta, një model fillestar më i mirë se masa është modeli Stokes-Einstein, sipas të cilit koeficienti i difuzionit është në përpjesëtim të drejtë me temperaturën dhe në përpjesëtim të zhdrejtë me viskozitetin dhe rrezen hidrodinamike. Madhësia më e vogël në gjendje të hidratuar sjell përhapje më të shpejtë. Brenda një familjeje kimike, masa më e ulët shpesh lidhet me madhësi më të vogël, ndaj pesha më e vogël mund të duket si shpjegim. Është një korrelacion, jo mekanizmi.

Ligji i Graham-it, sipas të cilit shpejtësitë e efuzionit të gazeve janë në përpjesëtim të zhdrejtë me rrënjën katrore të masës molare, nuk e përcakton sjelljen në këtë pjatë. Nxjerrja e tij i përket teorisë kinetike të gazeve, të përmbledhur në këtë trajtim nga OpenStax të efuzionit dhe difuzionit të gazeve. Në lëngje shtohen rezistenca viskoze, hidratimi, efektet e formës dhe dendësia e grimcave. Në xhele shtohen struktura e poreve, përdredhja e rrugëve të lëvizjes, adsorbimi dhe ndërveprimet e ngarkesave me polimerin.

Numrat e nxjerrin në pah mospërputhjen. Ligji i Graham-it, i zbatuar për 158 kundrejt 320, parashikon një raport shpejtësish prej rreth 1.42. Koeficientët e matur të difuzionit në tretësira ujore të holluara tregojnë diçka tjetër: permanganati afër 1.6 deri në 1.8 herë 10^-9 m^2/s, kundrejt blusë së metilenit afër 4.5 deri në 5 herë 10^-10 m^2/s, një raport më afër 3 ose 4. Vetëm masa nuk mund ta shpjegojë këtë raport. Madhësia në gjendje të hidratuar, agregimi dhe lidhja me xhelin shpjegojnë pjesën tjetër.

Trajtojeni idenë «më i lehtë, më i shpejtë» si një model me supozime: grimca sferike, pa lidhje, pa agregim, kushte identike. Pjata shkel të paktën dy prej tyre.

Si të bëni një krahasim të drejtë

Demonstrimi dështon ashtu siç dështon një program kompjuterik: ideja bazë është e saktë, por kalimi nga ideja te matja është plot kurthe. Secili prej faktorëve të mëposhtëm e ndryshon rezultatin pa ndryshuar asnjë veti molekulare.

Përdorni një sasi agari të përgatitur në të njëjtën seri dhe të derdhur me trashësi të njëjtë, të njëjtin mjet për hapjen e gropëzave, vëllime të barabarta lëngu, përqendrime molare të barabarta dhe përqendrime mjaft të ulëta për të kufizuar agregimin e blusë së metilenit dhe për ta mbajtur ngjyrën të pangopur. Hapni të paktën tri gropëza përsëritjeje për çdo substancë të tretur, të vendosura aq larg sa frontet të mos takohen kurrë. Mbulojini pjatat, mbajini horizontalisht dhe ruajeni temperaturën konstante, pasi studimet me ngjyrues në agar tregojnë varësi të fortë nga temperatura dhe përqendrimi. Përcaktojeni kohën zero si çastin e mbushjes dhe përcaktojeni skajin përpara matjes: një prag i fiksuar në fotografi është më i mirë se një kufi i vlerësuar me sy, sepse bluja dhe vjollca kanë kufij të ndryshëm dallueshmërie vizuale. Regjistroni dy diametra pingul për çdo njollë dhe llogaritni rrezen mesatare, pasi ngatërrimi i rrezes me diametrin shtrembëron çdo grafik të largësisë në katror me një faktor prej katër.

Etiketat: paneli i majtë tregon rrezen e matur nga sipër, nga skaji i gropëzës deri te skaji i ngjyrës për çdo front; paneli i djathtë tregon prerjen tërthore të agarit me thellësinë e gropëzës dhe zonat e gradientit që shtrihen nga jashtë; legjenda rendit ndryshoret e kontrolluara (përqindja e agarit, trashësia, molariteti i ngjyruesit, vëllimi, madhësia e gropëzës, temperatura, koha zero, ndriçimi).

Kini kujdes nga dukuritë që mund t'ju mashtrojnë. Lëngu që derdhet mbi sipërfaqen e agarit duket si difuzion i shpejtë dhe është një artefakt i dokumentuar i gropëzave të vogla në agar. Permanganati është oksidues i fortë dhe mund të konsumohet nga gjurmë lëndësh organike, gjë që e ndal ose e çngjyros frontin e tij. Bluja e metilenit është aktive në reaksionet redoks dhe mund të zbehet nën dritë ose në kushte reduktuese; kimia redoks e blusë së metilenit dhe e formës së saj të reduktuar pa ngjyrë e shpjegon këtë sjellje.

Një shënim i shkurtër për tretësin: të dyja gropëzat në demonstrimin standard përmbajnë tretësira ujore. Nëse një protokoll e ndryshon ndonjëherë tretësin, kontrolloni fillimisht udhëzuesin për tretshmërinë dhe përgatitjen e tretësirave, sepse tretshmëria dhe agregimi ndryshojnë sipas mjedisit.

Fletë pune për vëzhgimet në klasë

Kopjojeni këtë tabelë në fletore ose shtypni një rresht për çdo gropëz. Një tabelë për çdo pjatë i mban përsëritjet të regjistruara saktë.

Për analizën, paraqitni në grafik katrorin e rrezes mesatare kundrejt kohës së kaluar për çdo gropëz dhe krahasoni pjerrësitë, duke shënuar pranë grafikut përkufizimin e skajit. Nëse paraqiten të gjashta kurbat me shpërndarjen e tyre, klasa e sheh ndryshueshmërinë si të dhëna dhe jo si diçka për t'u ndier në siklet.

Siguria është pjesë e protokollit: mbani doreza dhe mbrojtëse për sytë, pasi bluja e metilenit njollos lëkurën dhe veshjet, ndërsa permanganati është një oksidues që njollos dhe irriton. Mos lejoni që tretësirat të hyjnë në gojë, punoni mbi një tabaka dhe hidhini pjatat dhe lëngjet përmes sistemit të shkollës për mbetjet kimike, jo në lavaman.

Fjalia që ia vlen të shënohet

Në këto kushte të agarit, përqendrimit dhe temperaturës, fronti i dukshëm i permanganatit zakonisht përhapet më shpejt se fronti i blusë së metilenit. Kjo përputhet me faktin që permanganati ka koeficient efektiv difuzioni më të madh, kryesisht sepse joni i tij i hidratuar është shumë më i vogël dhe nuk agregohet apo lidhet me agarin siç bën bluja e metilenit. Masa molekulare lidhet me këtë dallim në madhësi këtu, por vetëm masa nuk i përcakton shpejtësitë e difuzionit në lëngje ose xhele.

Një klasë që e shkruan këtë fjali ka mësuar dy gjëra: një fakt për dy jone me ngjyra dhe zakonin për të pyetur çfarë mat një demonstrim përpara se t'i besojë asaj që duket se tregon.