Eksperimenti i shishes blu: kimia, procedura dhe vëzhgimet

Një shishe e kthjellët qëndron mbi tavolinën e laboratorit. Duket si ujë. Dikush e tund dhe lëngu bëhet blu i ndezur. Kur lihet mbi tavolinë, ngjyra blu zhduket brenda një ose dy minutash. Tundeni përsëri dhe bluja rikthehet. Një mbushje e vetme mund ta përsërisë këtë njëzet herë ose më shumë.

Nxënësit zakonisht hamendësojnë se diçka ishte fshehur në shishe, ose se tundja përzjeu dy shtresa. Të dyja hamendësimet dështojnë në mënyrë mësimdhënëse. Ngjyra vjen nga një ngjyrues i vetëm, blu metileni, i pranishëm në të gjithë lëngun. Ajo që ndryshon është numri i elektroneve që mbart ngjyruesi. Demonstrimi është një cikël redoks i bërë i dukshëm, dhe çdo ndryshore që klasa mund të shohë, koha e tundjes, temperatura, përqendrimi, lidhet drejtpërdrejt me një term të kimisë.

Dy forma të të njëjtit ngjyrues

Bluja e metilenit e oksiduar është një sistem unazor i sheshtë me ngarkesë pozitive. Ajo përthith fort rreth 600 deri në 700 nanometra, gjë që syri e percepton si blu të thellë. Të dyja format dhe spektrat e tyre trajtohen në udhëzuesin për strukturën dhe vetitë e blusë së metilenit.

Reduktimi shton dy elektrone dhe një proton, duke dhënë blu leukometileni: pa ngarkesë, jo planare dhe praktikisht pa ngjyrë. Në tretësirë alkaline, gjysmëreaksioni shkruhet MB+ + H2O + 2 e- ⇌ LMB + OH-. Hapi është plotësisht i kthyeshëm. Blu do të thotë e oksiduar, pa ngjyrë do të thotë e reduktuar dhe nuk ka një gjendje të tretë për t'u ndjekur, gjë që e bën këtë një hyrje të qartë në kiminë redoks.

Cikli: glukoza redukton, oksigjeni rioksidon

Shishja përmban tre përbërës aktivë: blu metileni, glukozë dhe alkali të fortë, hidroksid kaliumi ose natriumi. Alkali e kalon glukozën në forma reaktive të deprotonuara që i dhurojnë elektrone ngjyruesit:

sheqer reduktues + MB (blu, e oksiduar) -> produkte të oksiduara të sheqerit + LMB (pa ngjyrë)

Ky hap i ngadaltë e zhduk ngjyrën ndërsa shishja qëndron në qetësi. Glukoza është dhuruesi sakrifikues dhe konsumohet. Ngjyruesi vetëm transporton elektronet, kështu që disa pika mjaftojnë për një shishe të tërë. Përshkrimet më të vjetra për klasë thonë se glukoza bëhet acid glukonik. Ky përshkrim i shkurtuar parashikon vëzhgimet, por instruktorët duhet të dinë se është i paplotë: një analizë mekanistike e botuar në Royal Society Open Science e gjurmon oksidimin përmes një enediolati reaktiv deri te një dikarbonil që fragmentohet në acide më të vogla.

Tundja e përmbys rezultatin e dukshëm. Agjitimi tret oksigjen nga ajri i bllokuar në hapësirën mbi lëng dhe oksigjeni e rioksidon ngjyruesin e reduktuar:

LMB (pa ngjyrë) + O2 -> MB (blu) + produkte të reduktuara të oksigjenit

Kur lihet në qetësi, oksigjeni i tretur shteron, glukoza e redukton përsëri ngjyruesin dhe ngjyra zbehet. Gjatë shumë cikleve, kimia neto është oksidimi i sheqerit nga ajri, ndërsa ngjyruesi qarkullon i pandryshuar si ndërmjetës redoks. Ai është një ndërmjetës dhe jo një katalizator strikt, sepse oksidimi i sheqerit vazhdon edhe pa të, dhe zbehja nuk është dekompozim: një ngjyrues i shkatërruar nuk do të mund të rikthehej me tundje. Për t'i mbajtur të qëndrueshme rezervat e ngjyruesit ndërmjet demonstrimeve, shihni shënimet për trajtimin dhe ruajtjen e tretësirave të blusë së metilenit.

Procedura për një demonstrim të mbikëqyrur

Ky është një demonstrim i mbikëqyrur, jo një aktivitet shtëpiak. Alkali kërkon mbrojtje për sytë, doreza dhe një instruktor që merr përgjegjësinë për përgatitjen dhe pastrimin. Dy formulime të dokumentuara pajtohen në strukturë dhe ndryshojnë në shkallë.

Fleta e udhëzimeve që shoqëron demonstrimin e publikuar nga departamenti i kimisë i Indiana University përdor afërsisht 5 për qind hidroksid kaliumi, 4 për qind glukozë dhe 1 për qind blu metileni ujore. Hidhni vëllime të barabarta të tretësirave të alkalit dhe glukozës në një shishe transparente 250 ose 500 mililitra derisa të jetë gjysmë e mbushur, duke lënë pjesën tjetër si hapësirë ajri. Shtoni disa pika ngjyrues, vendosni kapakun, izoloni bashkimin dhe lëreni të qëndrojë derisa bluja të zhduket. Procedura e Royal Society of Chemistry e shkallëzon të njëjtën ide në një balonë 1 litër me tapë: 300 mililitra ujë, 10 gram glukozë, 8 gram hidroksid kaliumi (ose 6 gram hidroksid natriumi), plus disa mililitra tretësirë rezervë të holluar të ngjyruesit.

Për demonstrimin, tundeni fuqishëm. Bluja e plotë zhvillohet brenda sekondash. Vendoseni balonën poshtë dhe matni kohën e zbehjes. Royal Society of Chemistry raporton më shumë se njëzet cikle për çdo mbushje. Mos e mbushni kurrë shishen deri në buzë: pa ajër të bllokuar nuk ka rezervë oksigjeni për t'u tretur.

Çfarë të vëzhgoni dhe çfarë ndryshon kohën

Matni tri gjëra: tundjen deri në blu të plotë (sekonda), qëndrimin deri sa të bëhet pa ngjyrë (deri në disa minuta) dhe numrin e cikleve para se bluja të dobësohet. Pranë fundit të çdo zbehjeje, vëzhgoni sipërfaqen. Një shtresë e hollë blu shpesh mbetet në ndërfaqen me ajrin, ku oksigjeni vazhdon të difuzojë brenda. Ajo vijë është difuzioni i bërë i dukshëm.

Reaksioni i shishes blu ndjek ligjin empirik të shpejtësisë të raportuar së bashku me procedurën e Royal Society of Chemistry: rate = k[MB oxidised][glucose]OH-. Çdo term mund të shërbejë si një eksperiment në klasë. Më shumë glukozë, alkali ose ngjyrues e shkurton periudhën blu. Nxehtësia e përshpejton zbehjen; një balonë e ftohtë bëhet e ngadaltë. Tundja më e fortë tret më shumë oksigjen, kështu që bluja zgjat më shumë. Një hapësirë më e madhe ajri e zgjat eksperimentin. Kur ciklet më në fund dobësohen dhe lëngu zverdhet, sheqeri është shteruar dhe produktet anësore janë grumbulluar. Edhe ajo pikë përfundimtare është një rezultat që ia vlen të regjistrohet.

Fleta e punës për vëzhgimet

Kopjojeni këtë tabelë në fletore, një rresht për çdo provë. Kjo fletë pune së bashku me diagramin e reaksionit më sipër janë materialet e printueshme për këtë artikull.

Pyetje parashikuese, të përgjigjura para çdo prove:

• Shishja është blu menjëherë pas tundjes. Cila formë e ngjyruesit mbizotëron dhe çfarë e solli në atë gjendje?
• Shishja qëndron dhe zbehet. Cili reaksion po mbizotëron dhe cili përbërës po konsumohet?
• Pas shumë cikleve, bluja bëhet e zbehtë dhe në të verdhë. Rikthejeni me ngjyrues, alkali apo glukozë, dhe pse?
• Skiconi ngjyrën kundrejt kohës për një cikël. Shënoni ku hyn oksigjeni në tretësirë.

Përgjigjet për instruktorin: (1) blu metileni e oksiduar, e rioksiduar nga oksigjeni i tretur i hapësirës së ajrit; (2) reduktimi nga glukoza, glukoza konsumohet; (3) glukoza, dhuruesi kufizues, sepse ngjyruesi qarkullon i pandryshuar; (4) rritje e pjerrët gjatë tundjes, rënie graduale gjatë qëndrimit, hyrja e oksigjenit vetëm gjatë rritjes.

Të afërm që ia vlen të përmenden

Demonstrimi i semaforit zëvendëson blunë e metilenit me indigo carmine dhe kalon përmes të verdhës, së kuqes dhe së gjelbrës gjatë oksigjenimit. Emri shishe e gjelbër përdoret në mënyrë jo strikte: ndonjëherë për atë variant, ndonjëherë për formulime më të gjelbra, si sistemet me acid askorbik ose një sistem ciklik enzimatik i përshkruar nga American Chemical Society. Emërtoni variantin që ndodhet në tavolinë, në mënyrë që nxënësit të mos bashkojnë vëzhgime nga kimi të ndryshme.

Siguria dhe trajtimi

Mbikëqyrje gjatë gjithë kohës. Mbrojtje për sytë kundër spërkatjeve kimike dhe doreza gjatë trajtimit të tretësirës alkaline ose tundjes së enës me tapë. Alkali shkakton djegie, ngjyruesi njollos lëkurën dhe pëlhurat, dhe tretësirat rezervë të ngjyruesit të përgatitura në etanol shtojnë një tretës të ndezshëm në tavolinën e laboratorit. Mbajeni enën të mbyllur me tapë gjatë tundjes. Më pas, ruajini tretësirat e konsumuara për trajtim sipas rregullave të laboratorit të institucionit tuaj. Kërkesat për mbetjet alkaline që përmbajnë ngjyrues ndryshojnë ndërmjet institucioneve dhe juridiksioneve, ndaj ndiqni procedurën e laboratorit tuaj në vend që të merrni një procedurë nga një burim tjetër.

Nëse dëshironi të dhëna numerike në vend të ndryshimeve të ngjyrës, analizat sasiore për blunë e metilenit vazhdojnë aty ku mbaron ky demonstrim.

Pse mësuesit vazhdojnë ta përdorin këtë shishe

Një balonë e vetme përmbledh katër ide. Redoksi bëhet një ngjyrë në vend të një përkufizimi. Një ndërmjetës tregon se si një sasi gjurmë e një substance raporton për një sasi shumë më të madhe të një tjetre. Kinetika ndahet dukshëm nga termodinamika: oksigjeni mbizotëron ndërsa tundja e furnizon, glukoza mbizotëron kur furnizimi ndalet. Dhe difuzioni, procesi më i heshtur në kimi, është ai që e mundëson gjithë demonstrimin, sepse çdo shkëlqim blu fillon me oksigjenin që kalon nga ajri në ujë. Një demonstrim që u lejon nxënësve të parashikojnë, matin kohën dhe shpjegojnë të gjitha këto me një kronometër dhe një tabelë e ka fituar vendin e vet në tavolinën e laboratorit.