Difusi bulao métilén jeung permanganat: naon anu ditingalikeun ku ékspérimén agar

Hiji guru nyieun dua liang dina lempéng agar, ngeusian hiji ku zat warna bulao jeung hiji deui ku larutan wungu, tuluy nitah murid-murid pikeun niténan. Sajam ti harita, cingcin wungu leuwih lega. Murid-murid nyatet yén kalium permanganat ngadifusi leuwih gancang tibatan bulao métilén lantaran leuwih hampang.

Éta kalimah satengahna bener jeung satengahna matak salah paham, sarta bagian anu matak salah paham téh justru anu matak panasaran. Démonstrasi ieu mangrupa pangajaran difusi anu ilahar, sakumaha dijelaskeun, contona, dina latihan laboratorium difusi agar ieu, tapi anu katingali ku murid téh lain pangaruh beurat molekul. Éta téh gerak wates warna anu katingali ngaliwatan gél, anu dipangaruhan ku ukuran ion, hidrasi, pangiketan zat warna, konséntrasi, suhu, jeung cara ngukur watesna.

Wates warna lain koéfisién difusi

Difusi nyaéta sumebarna partikel anu leyur ti konséntrasi luhur ka konséntrasi handap. Koéfisién difusi, anu biasana ditulis D, ngajelaskeun sabaraha gancang éta panyebaran lumangsung pikeun hiji zat leyur dina médium jeung suhu nu tangtu.

Lempéng anu dipaké di kelas henteu némbongkeun D sacara langsung. Éta némbongkeun wates tempat warna jadi samar teuing nepi ka teu katingali. Éta wates gumantung kana daya nyerep cahaya zat warna, pencahyaan, éksposur kaméra, konséntrasi anu diasupkeun kana liang, jeung penilaian jalma anu nyekel panggaris, salian ti difusi sorangan.

Sebut hasil pangukuran di kelas luyu jeung naon anu saenyana diukur: gerak front difusi anu katingali. Pedaran formal ngahubungkeun rata-rata kuadrat kapindahan jeung D ngaliwatan hubungan anu wangunna saperti dina analisis difusi Fick, tapi pikeun nangtukeun D ku pangcocokan data, diperlukeun profil konséntrasi sapanjang waktu, lain hiji diaméter dina ahir palajaran. Hiji ulikan kelas anu geus dipedalkeun nangtukeun difusivitas bulao métilén dina gél kira-kira 4.5 kali 10^-10 m^2/s ku cara nyieun grafik kuadrat jarak ngalawan waktu, lain ku ngabandingkeun ukuran bercak ahir. Hiji gambar dina hiji waktu waé moal bisa ngalakukeun éta.

Ieu téh konsép dasar démonstrasi, sedengkeun anu séjénna mangrupa rinci ngeunaan sabaraha satiana lempéng éta ngagambarkeun éta konsép.

Dua ion warnaan, lain dua molekul

Duanana zat leyur henteu ngaliwatan agar dina wangun rumus anu dicitak dina botol. Duanana mangrupa éléktrolit kuat anu misah jadi ion dina cai.

Kalium permanganat (KMnO4, massa rumus kira-kira 158.03 g/mol) misah jadi ion kalium jeung ion permanganat. Anu ngaléngkah bari mawa warna wungu téh ion permanganat MnO4^-, massana kira-kira 118.94 g/mol, anu dikurilingan ku lapisan cai. Bulao métilén klorida (uyah anhidrat C16H18ClN3S, kira-kira 319.85 g/mol) misah jadi klorida jeung kation organik bulao MB^+, massana kira-kira 284.41 g/mol, anu ogé kahidrasi. Catetan bulao métilén NIST jeung éntri bulao métilén ChEBI ngadokuméntasikeun wangun-wangun ieu, sarta rujukan kimia jeung struktur ngajelaskeun naha kation, uyah anhidrat, jeung hidrat merlukeun ngaran anu béda.

Aya tilu balukar tina ieu.

Kahiji, ngabandingkeun 158 jeung 320 ngajadikeun bédana ukuran sabenerna antara ion warnaan téh katémbong leuwih leutik, sabab spésiés wungu anu kira-kira 119 g/mol jauh leuwih leutik tibatan kation bulao anu kira-kira 284 g/mol, sarta duanana mawa lapisan hidrasi anu nambahan ukuran éféktif.

Kadua, kation bulao métilén napel kana bahan. Éta ngabentuk dimér jeung agrégat anu leuwih gedé nalika konséntrasi naék, sarta ngalaman adsorpsi kana agar; pangiketan monomér jeung dimér duanana geus dilaporkeun dina ulikan adsorpsi agar. Zat warna anu kaadsorpsi cicing di tempatna. Éta ngawarnaan gél tanpa ngamajukeun front.

Katilu, bubuk réagen anu ilahar dipaké téh hidrat, ku kituna unggal gram anu ditimbang ngandung cai dina kristalna. Babandingan trihidrat jeung anhidrat némbongkeun kumaha hal éta ngarobah molaritas. Pikeun babandingan anu adil di kelas, jieun larutan uyah kalayan konséntrasi molar anu sarua sarta catet wangun padetan anu dipaké.

Naha leuwih hampang henteu hartina leuwih gancang dina ieu kasus

Dina cairan éncér, modél awal anu leuwih hadé tibatan massa nyaéta gambaran Stokes-Einstein, anu nétélakeun yén difusivitas sabanding jeung suhu dibagi ku viskositas jeung radius hidrodinamik. Ukuran kahidrasi anu leuwih leutik leuwih unggul. Massa anu leuwih handap mindeng boga korélasi jeung ukuran anu leuwih leutik dina hiji kulawarga kimia, ku kituna leuwih hampang bisa siga hiji panjelasan. Éta téh korélasi, lain mékanismena.

Hukum Graham, anu nétélakeun yén laju éfusi gas sabanding jeung kabalikan akar kuadrat massa molar, henteu ngatur naon anu lumangsung dina lempéng ieu. Turunanana asalna tina téori kinétik gas, anu diringkes dina pedaran OpenStax ngeunaan éfusi jeung difusi gas ieu. Dina cairan, aya tambahan hambatan viskos, hidrasi, pangaruh wangun, jeung kasésékan partikel. Dina gél, aya deui struktur pori, jalur anu pungkal-péngkol, adsorpsi, jeung interaksi muatan jeung polimér.

Angka-angkana némbongkeun éta bédana. Hukum Graham anu dilarapkeun kana 158 dibandingkeun jeung 320 ngaramalkeun babandingan laju kira-kira 1.42. Difusivitas anu diukur dina larutan éncér dina cai némbongkeun hasil anu béda: permanganat kira-kira 1.6 nepi ka 1.8 kali 10^-9 m^2/s dibandingkeun jeung bulao métilén kira-kira 4.5 nepi ka 5 kali 10^-10 m^2/s, kalayan babandingan anu leuwih deukeut ka 3 atawa 4. Massa wungkul moal bisa ngahasilkeun éta babandingan. Ukuran kahidrasi, agrégasi, jeung pangiketan kana gél nyumbang kana bédana anu séjén.

Anggap gagasan leuwih hampang-leuwih gancang minangka modél anu boga asumsi: partikel buleud, henteu aya pangiketan, henteu aya agrégasi, sarta kaayaanana sarua. Lempéng éta henteu nyumponan sahenteuna dua tina éta asumsi.

Kumaha ngalakukeun babandingan anu adil

Démonstrasi ieu bisa gagal saperti parangkat lunak gagal: gagasan dasarna bener, tapi prosés ngarobah gagasan jadi pangukuran pinuh ku jebakan. Unggal hal ieu ngarobah hasilna tanpa ngarobah sipat molekul naon waé.

Paké hiji adonan agar anu dituang kalayan jero anu sarua, hiji alat nyieun liang, volume cairan anu sarua, konséntrasi molar anu sarua, sarta konséntrasi anu cukup handap pikeun ngawatesan agrégasi bulao métilén jeung ngajaga warna sangkan henteu jenuh. Jieun sahenteuna tilu liang réplikasi pikeun unggal zat leyur, kalayan jarak anu ngajadikeun front-frontna henteu kungsi papanggih. Tutupan cawan, jaga sangkan tetep datar, sarta jaga suhu tetep angger, sabab panalungtikan zat warna dina agar némbongkeun kagumantungan anu kuat kana suhu jeung konséntrasi. Tetepkeun waktu nol minangka waktu nalika ngeusian liang, sarta tangtukeun watesna saméméh ngukur: ambang fotografis anu tetep leuwih hadé tibatan wates anu ditaksir ku panon, sabab bulao jeung wungu boga wates detéksi visual anu béda. Catet dua diaméter anu silih jejeg pikeun unggal bercak, tuluy robah jadi radius rata-rata, sabab kasalahan ngabédakeun radius jeung diaméter bakal ngaruksak grafik kuadrat jarak ku faktor opat.

Labél: panel kénca némbongkeun radius ditingali ti luhur anu diukur ti wates liang nepi ka wates warna pikeun unggal front; panel katuhu némbongkeun irisan agar kalayan jero liang jeung halo gradién anu nyebar ka luar; katerangan gambar ngadaptarkeun variabel anu dikontrol (perséntase agar, kandelna, molaritas zat warna, volume, ukuran liang, suhu, waktu nol, pencahyaan).

Waspada kana hal anu nyarupaan difusi. Cairan anu tumpah sarta nyebar dina beungeut agar katémbong saperti difusi gancang, sarta geus didokuméntasikeun minangka artéfak dina liang agar leutik. Permanganat mangrupa oksidan kuat sarta bisa béak ku réaksi jeung sésa bahan organik dina jumlah leutik, anu ngeureunkeun atawa mupus warna frontna. Bulao métilén aktip sacara rédoks sarta bisa luntur dina cahaya atawa kaayaan réduktif; kimia rédoks bulao métilén jeung wangun réduksina anu teu warnaan ngajelaskeun éta paripolah.

Catetan singget ngeunaan pangleyur: duanana liang dina démonstrasi standar dieusian ku larutan dina cai. Lamun hiji protokol ngarobah pangleyurna, pariksa heula pituduh kaleyuran jeung nyiapkeun larutan, sabab kaleyuran jeung agrégasi robah gumantung kana médiumna.

Lembar kerja paniténan di kelas

Salin ieu tabél kana buku catetan atawa citak hiji baris pikeun unggal liang. Hiji tabél pikeun unggal cawan ngajaga data réplikasi tetep kacatet kalayan bener.

Pikeun analisis, jieun grafik kuadrat radius rata-rata ngalawan waktu anu geus kaliwat pikeun unggal liang sarta bandingkeun kamiringan garisna, bari nétélakeun définisi wates di gigireun grafik. Lamun genep kurva ditingalikeun babarengan jeung rentang variasina, murid-murid bakal ningali variasi minangka data, lain minangka hal anu matak éra.

Kasalametan mangrupa bagian tina protokol: paké sarung leungeun jeung panyalindung panon, sabab bulao métilén nyésakeun noda dina kulit jeung papakéan, sedengkeun permanganat mangrupa oksidan anu nyésakeun noda sarta nyababkeun iritasi. Ulah nepi ka larutan asup kana sungut, gawé di luhur baki, sarta buang lempéng jeung cairan ngaliwatan prosedur runtah kimia sakola, lain kana bak cuci.

Kalimah anu pantes dicatet

Dina kaayaan agar, konséntrasi, jeung suhu ieu, front permanganat anu katingali biasana nyebar leuwih gancang tibatan front bulao métilén. Éta saluyu jeung permanganat anu boga difusivitas éféktif leuwih gedé, utamana lantaran ionna anu kahidrasi jauh leuwih leutik sarta henteu ngagrégasi atawa ngabeungkeut agar saperti bulao métilén. Massa molekul boga korélasi jeung éta bédana ukuran dina ieu kasus, tapi massa wungkul henteu nangtukeun laju difusi dina cairan atawa gél.

Murid-murid anu nulis éta kalimah geus diajar dua hal: hiji fakta ngeunaan dua ion anu warnaan, jeung kabiasaan nanya naon anu diukur ku hiji démonstrasi saméméh percaya kana naon anu sigana dituduhkeun ku éta démonstrasi.