Eksperiment sa plavom bocom: hemija, postupak i zapažanja

Providna boca stoji na laboratorijskoj klupi. Izgleda kao da je u njoj voda. Neko je protrese i tečnost postane jarko plava. Kada se spusti, plava boja nestane za minut ili dva. Ponovo je protresite i plava boja se vraća. Jedno punjenje može da ponovi ovaj ciklus dvadeset ili više puta.

Učenici obično pretpostave da se nešto krije u boci ili da mućkanje meša dva sloja. Obe pretpostavke su poučno pogrešne. Boja potiče od jedne boje, metilenskog plavog, koje je prisutno u celoj tečnosti. Menja se broj elektrona koje molekul boje nosi. Demonstracija prikazuje redoks ciklus tako da je vidljiv, a svaka promenljiva koju učenici mogu da uoče — vreme mućkanja, temperatura, koncentracija — odgovara nekom članu u hemijskom opisu procesa.

Dva oblika iste boje

Oksidovano metilensko plavo je ravan, pozitivno naelektrisan prstenasti sistem. Snažno apsorbuje svetlost u opsegu od oko 600 do 700 nanometara, što oko vidi kao duboku plavu boju. Oba oblika i njihovi spektri opisani su u vodiču kroz strukturu i svojstva metilenskog plavog.

Redukcijom se dodaju dva elektrona i proton, čime nastaje leukometilensko plavo: nenaelektrisano, neplanarno i praktično bezbojno. U alkalnom rastvoru polureakcija glasi MB+ + H2O + 2 e- ⇌ LMB + OH-. Proces je potpuno reverzibilan. Plavo znači oksidovano, bezbojno znači redukovano, a ne postoji treće stanje koje treba pratiti, zbog čega je ovo jasan prvi susret sa redoks hemijom.

Ciklus: glukoza redukuje, kiseonik ponovo oksiduje

Boca sadrži tri aktivna sastojka: metilensko plavo, glukozu i jaku bazu, kalijum-hidroksid ili natrijum-hidroksid. Baza podstiče nastanak reaktivnih deprotonovanih oblika glukoze koji predaju elektrone boji:

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

Ovaj spor korak uklanja boju dok boca miruje. Glukoza je potrošni donor i troši se. Boja samo prenosi elektrone, pa je nekoliko kapi dovoljno za celu bocu. Stariji nastavni opisi navode da se glukoza pretvara u glukonsku kiselinu. To pojednostavljenje predviđa zapažanja, ali nastavnici treba da znaju da nije potpuno: mehanistička analiza objavljena u časopisu Royal Society Open Science prati oksidaciju preko reaktivnog enediolata do dikarbonilnog jedinjenja koje se razlaže na manje kiseline.

Mućkanje menja vidljivi ishod u suprotnom smeru. Mešanjem se rastvara kiseonik iz vazduha zarobljenog iznad tečnosti, a kiseonik ponovo oksiduje redukovani oblik boje:

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

Kada boca miruje, rastvoreni kiseonik se potroši, glukoza ponovo redukuje boju i ona bledi. Tokom više ciklusa, ukupna hemijska promena je oksidacija šećera kiseonikom iz vazduha, dok boja nepromenjena kruži kao redoks medijator. Ona je medijator, a ne strogo katalizator, jer se oksidacija šećera odvija i bez nje, a bledenje nije razgradnja: uništena boja ne bi mogla ponovo da se pojavi mućkanjem. Za održavanje stabilnosti osnovnih rastvora boje između demonstracija pogledajte napomene o rukovanju i čuvanju rastvora metilenskog plavog.

Postupak za nadziranu demonstraciju

Ovo je demonstracija koja se izvodi pod nadzorom, a ne kućna aktivnost. Baza zahteva zaštitu za oči, rukavice i nastavnika koji je odgovoran za pripremu i čišćenje. Dve dokumentovane formulacije imaju istu osnovnu strukturu, ali se razlikuju po razmeri.

Uputstvo za demonstraciju koju je objavilo odeljenje za hemiju Univerziteta Indijana koristi približno 5 percent kalijum-hidroksida, 4 percent glukoze i 1 percent vodenog rastvora metilenskog plavog. Sipajte jednake zapremine rastvora baze i glukoze u providnu bocu od 250 or 500 millilitre dok ne bude napunjena do pola, ostavljajući ostatak kao vazdušni prostor. Dodajte nekoliko kapi boje, zatvorite bocu, zaptijte spoj i ostavite je da miruje dok plava boja ne nestane. Postupak Kraljevskog hemijskog društva primenjuje istu ideju na zatvorenu bocu od 1 litre: 300 millilitres vode, 10 grams glukoze, 8 grams kalijum-hidroksida (ili 6 grams natrijum-hidroksida), uz nekoliko millilitres razblaženog osnovnog rastvora boje.

Za izvođenje snažno protresite bocu. Puna plava boja razvija se za nekoliko sekundi. Spustite bocu i merite vreme bledenja. Kraljevsko hemijsko društvo navodi više od dvadeset ciklusa po jednom punjenju. Nikada ne punite bocu do vrha: bez zarobljenog vazduha nema rezerve kiseonika koja bi mogla da se rastvori.

Šta posmatrati i šta menja vreme reakcije

Merite tri stvari: vreme mućkanja do pune plave boje (seconds), vreme mirovanja do bezbojnog stanja (do nekoliko minuta) i broj ciklusa pre nego što plava boja oslabi. Pred kraj svakog bledenja posmatrajte površinu. Tanak plavi sloj često se zadržava na granici sa vazduhom, gde kiseonik nastavlja da difunduje u rastvor. Ta linija je vidljiva difuzija.

Reakcija plave boce prati empirijski zakon brzine naveden uz postupak Kraljevskog hemijskog društva: rate = k[MB oxidised][glucose]OH-. Svaki član može da bude zaseban eksperiment u nastavi. Više glukoze, baze ili boje skraćuje period tokom kojeg rastvor ostaje plav. Viša temperatura ubrzava bledenje; hladna boca reaguje sporije. Snažnije mućkanje rastvara više kiseonika, pa plava boja traje duže. Veći vazdušni prostor produžava broj ciklusa. Kada ciklusi konačno oslabe i tečnost požuti, šećer je potrošen, a sporedni proizvodi su se nagomilali. I ta završna tačka je rezultat koji vredi zabeležiti.

Radni list za zapažanja

Prekopirajte ovu tabelu u sveske, po jedan red za svaki pokušaj. Ovaj radni list i gornji dijagram reakcije predstavljaju materijale za štampanje uz ovaj članak.

Pitanja za predviđanje, na koja treba odgovoriti pre svakog pokušaja:

• Boca je plava odmah nakon mućkanja. Koji oblik boje preovlađuje i šta ga je dovelo u to stanje?
• Boca miruje i boja bledi. Koja reakcija preovlađuje i koji sastojak se troši?
• Posle mnogo ciklusa plava boja postaje bleda i žućkasta. Da li je treba obnoviti dodavanjem boje, baze ili glukoze, i zašto?
• Nacrtajte promenu boje u odnosu na vreme tokom jednog ciklusa. Označite gde kiseonik ulazi u rastvor.

Odgovori za nastavnika: (1) oksidovano metilensko plavo, ponovo oksidovano rastvorenim kiseonikom iz vazdušnog prostora; (2) redukcija glukozom, pri čemu se glukoza troši; (3) glukoza, ograničavajući donor, jer boja kruži nepromenjena; (4) nagli porast pri mućkanju, postepen pad tokom mirovanja, ulazak kiseonika samo tokom porasta.

Srodne demonstracije koje vredi imenovati

Demonstracija semafora koristi indigo karmin i pri oksigenaciji prolazi kroz žutu, crvenu i zelenu boju. Naziv zelena boca koristi se neprecizno: ponekad za tu varijantu, a ponekad za zelenije formulacije, kao što su sistemi sa askorbinskom kiselinom ili enzimski ciklični sistem koji je opisalo Američko hemijsko društvo. Imenujte tačno onu varijantu koja se nalazi na laboratorijskoj klupi kako učenici ne bi mešali zapažanja iz različitih hemijskih sistema.

Bezbednost i rukovanje

Nadzor tokom celog postupka. Koristite zaštitu za oči od prskanja hemikalija i rukavice pri rukovanju alkalnim rastvorom ili mućkanju zatvorenog suda. Baza izaziva hemijske opekotine, boja ostavlja mrlje na koži i tkanini, a osnovni rastvori boje pripremljeni u etanolu uvode i zapaljivi rastvarač na laboratorijsku klupu. Sud držite zatvoren tokom mućkanja. Nakon završetka, sačuvajte istrošene rastvore radi postupanja u skladu sa laboratorijskim pravilima vaše ustanove. Zahtevi za alkalni otpad koji sadrži boju razlikuju se među ustanovama i jurisdikcijama, zato pratite postupak koji važi u vašoj laboratoriji umesto da preuzimate postupak iz drugog izvora.

Ako su vam potrebni brojčani podaci umesto promena boje, kvantitativna ispitivanja metilenskog plavog nastavljaju tamo gde se ova demonstracija završava.

Zašto nastavnici zadržavaju ovu bocu

Jedna boca objedinjuje četiri ideje. Redoks postaje boja, a ne samo definicija. Medijator pokazuje kako mala količina jedne supstance može da signalizira stanje velike količine druge. Kinetika se vidljivo odvaja od termodinamike: kiseonik preovlađuje dok ga mućkanje dovodi u rastvor, a glukoza preovlađuje kada taj dotok prestane. I difuzija, jedan od najtiših procesa u hemiji, omogućava celu demonstraciju, jer svaki bljesak plave boje počinje prelaskom kiseonika iz vazduha u vodu. Demonstracija koja učenicima omogućava da sve to predvide, izmere i objasne pomoću štoperice i tabele zaslužuje svoje mesto na laboratorijskoj klupi.