Eksperimen botol biru: kimia, prosedur, jeung pangamatan

Hiji botol hérang aya dina méja laboratorium. Katingalina siga cai. Aya nu ngoyagkeunana, tuluy cairanana robah jadi biru caang. Nalika diteundeun, warna biruna ngaleungit dina waktu hiji atawa dua menit. Goyangkeun deui, warna biruna balik deui. Hiji eusian bisa ngulang ieu dua puluh kali atawa leuwih.

Murid biasana nyangka aya hiji hal nu nyumput dina botol, atawa yén ngoyagkeunana nyampurkeun dua lapisan. Duanana mangrupa dugaan anu salah tapi méré pangajaran. Warna éta asalna tina hiji zat warna, métilén biru, anu sumebar ka sakuliah larutan. Anu robah nyaéta sabaraha éléktron anu dibawa ku zat warna éta. Demonstrasi ieu mangrupa siklus rédoks anu bisa ditempo, sarta unggal variabel anu bisa dititénan ku kelas, waktos ngoyagkeun, suhu, konsentrasi, pakait jeung hiji unsur dina kimiana.

Dua wangun tina zat warna anu sarua

Métilén biru anu kaoksidasi mangrupa sistem cingcin datar anu boga muatan positif. Ieu nyerep kuat kira-kira antara 600 nepi ka 700 nanometres, anu ku panon katempo minangka biru poék. Dua wangun éta jeung spéktrana dibahas dina pituduh ngeunaan struktur jeung sipat métilén biru.

Réduksi nambahan dua éléktron jeung hiji proton, ngahasilkeun leucomethylene blue: teu boga muatan, henteu planar, sarta sacara praktis teu boga warna. Dina larutan basa, satengah-réaksina nyaéta MB+ + H2O + 2 e- ⇌ LMB + OH-. Léngkah ieu lengkep bisa dibalikkeun. Biru hartina kaoksidasi, teu boga warna hartina karéduksi, sarta teu aya kaayaan katilu anu kudu dilacak, anu ngajadikeun ieu pangwanoh awal anu écés kana kimia rédoks.

Siklusna: glukosa ngaréduksi, oksigén ngaoksidasi deui

Botol ngandung tilu bahan anu digawé: métilén biru, glukosa, jeung basa kuat, kalium atawa natrium hidroksida. Basa ngadorong glukosa jadi wangun déprotonasi anu réaktif sarta nyumbangkeun éléktron ka zat warna:

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

Léngkah anu lalaunan ieu ngaleungitkeun warna nalika botol diantepkeun. Glukosa mangrupa donor korban sarta laun-laun béak. Zat warnana ngan ukur mindahkeun éléktron, ku kituna sababaraha tetes waé bisa dipaké pikeun sakabotol. Pedaran kelas anu leuwih heubeul nyebutkeun yén glukosa robah jadi asam glukonat. Ringkesan éta bisa ngaramalkeun hasil pangamatan, tapi instruktur kudu nyaho yén éta teu lengkep: hiji analisis mékanistik anu diterbitkeun dina Royal Society Open Science ngalacak oksidasi ngaliwatan enediolate réaktif nepi ka dicarbonyl anu pecah jadi asam-asam anu leuwih leutik.

Ngoyagkeun ngabalikeun deui hasil anu katempo. Agitasi ngaleyurkeun oksigén tina hawa dina ruang kosong di luhur cairan, sarta oksigén ngaoksidasi deui zat warna anu geus karéduksi:

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

Nalika diantepkeun, oksigén anu leyur béak, glukosa ngaréduksi deui zat warna, sarta warnana luntur. Sanggeus loba siklus, kimia bersihna nyaéta oksidasi gula ku hawa, sedengkeun zat warna terus siklus tanpa robah minangka médiator rédoks. Ieu disebut médiator lain katalis sacara ketat, sabab oksidasi gula tetep lumangsung sanajan tanpa éta, sarta lunturna warna lain dékomposisi: zat warna anu geus ruksak moal bisa hirup deui ku ngoyagkeun. Pikeun ngajaga stok zat warna tetep stabil antara demonstrasi, tingali catetan ngeunaan penanganan jeung panyimpenan larutan métilén biru.

Prosedur pikeun demonstrasi kalayan pangawasan

Ieu mangrupa demonstrasi kalayan pangawasan, lain kagiatan rumah tangga. Basa kuat merlukeun pelindung panon, sarung leungeun, sarta instruktur anu tanggung jawab kana persiapan jeung beberesih. Dua formulasi anu didokuméntasikeun sarua dina strukturna tapi béda dina skalana.

Lembar instruksi pikeun demonstrasi anu diterbitkeun ku departemén kimia Indiana University ngagunakeun kira-kira 5 percent kalium hidroksida, 4 percent glukosa, jeung 1 percent métilén biru dina cai. Tuang volume anu sarua tina larutan basa jeung larutan glukosa kana botol transparan 250 atawa 500 millilitre nepi ka satengah pinuh, sarta tinggalkeun sesana salaku ruang hawa. Tambahkeun sababaraha tetes zat warna, tutup, segel sambungan tutupna, tuluy antepkeun nepi ka warna biruna leungit. Prosedur Royal Society of Chemistry ngagedékeun gagasan anu sarua pikeun labu bertutup 1 litre: 300 millilitres cai, 10 grams glukosa, 8 grams kalium hidroksida (atawa 6 grams natrium hidroksida), ditambah sababaraha millilitres stok zat warna éncér.

Pikeun ngalakukeunana, goyangkeun kuat-kuat. Warna biru pinuh mucunghul dina sababaraha detik. Teundeun labuna tuluy ukur waktos nepi ka warnana luntur. Royal Society of Chemistry ngalaporkeun leuwih ti dua puluh siklus pikeun unggal eusian. Ulah kungsi ngeusian botol nepi ka pinuh pisan: tanpa hawa anu kajebak, moal aya cadangan oksigén anu bisa leyur.

Naon anu kudu dititénan, jeung naon anu ngarobah waktosna

Ukur tilu hal: waktos ngoyagkeun nepi ka biru pinuh (detik), waktos diantepkeun nepi ka teu boga warna (nepi ka sababaraha menit), jeung jumlah siklus saméméh warna biru mimiti melemah. Deukeut tungtung unggal prosés luntur, perhatikeun beungeut cairan. Lapisan biru ipis mindeng tetep aya di antarbeungeut jeung hawa, tempat oksigén terus ngadifusi asup. Garis éta nyaéta difusi anu jadi katempo.

Réaksi botol biru nuturkeun hukum laju empiris anu dilaporkeun babarengan jeung prosedur Royal Society of Chemistry: rate = k[MB oxidised][glucose]OH-. Unggal unsurna bisa dijadikeun eksperimen kelas. Leuwih loba glukosa, basa, atawa zat warna bakal pondokkeun période biru. Suhu anu leuwih haneut ngagancangkeun lunturna; labu tiis jadi leuwih lalaunan. Ngoyagkeun leuwih kuat ngaleyurkeun leuwih loba oksigén, ku kituna warna biru tahan leuwih lila. Ruang hawa anu leuwih gedé manjangkeun lilana percobaan. Nalika siklus ahirna melemah sarta cairan jadi konéng, gula geus béak jeung produk samping geus ngumpul. Titik ahir éta sorangan mangrupa hasil anu pantes dirékam.

Lembar kerja pangamatan

Salin tabél ieu kana buku catetan, hiji baris pikeun unggal uji coba. Lembar kerja ieu babarengan jeung diagram réaksi di luhur mangrupa aset anu bisa dicitak pikeun artikel ieu.

Patarosan prediksi, dijawab saméméh unggal uji coba:

• Botol biru langsung sanggeus digoyangkeun. Wangun zat warna mana anu dominan, sarta naon anu nyababkeun éta?
• Botol diantepkeun sarta warnana luntur. Réaksi mana anu keur unggul, sarta bahan mana anu dipaké nepi ka béak?
• Sanggeus loba siklus, warna biru jadi samar jeung rada konéng. Pikeun ngahirupkeun deui, kudu nambah zat warna, basa, atawa glukosa, sarta naha?
• Gambar grafik warna ngalawan waktos pikeun hiji siklus. Tandaan iraha oksigén asup kana larutan.

Jawaban instruktur: (1) métilén biru anu kaoksidasi, dioksidasi deui ku oksigén ruang hawa anu leyur; (2) réduksi ku glukosa, glukosa dikonsumsi; (3) glukosa, donor anu jadi faktor pembatas, sabab zat warna terus siklus tanpa robah; (4) naék seukeut nalika digoyangkeun, turun lalaunan nalika diantepkeun, oksigén asup ngan salila fase naék.

Baraya deukeut anu pantes disebut

Demonstrasi lampu lalu lintas ngaganti zat warna ku indigo carmine sarta ngalangkungan warna konéng, beureum, jeung héjo nalika dioksigénasi. Ngaran green bottle dipaké sacara longgar: kadang pikeun varian éta, kadang pikeun formulasi anu leuwih héjo sapertos sistem asam askorbat atawa sistem siklus énzimatik anu dijelaskeun ku American Chemical Society. Sebutkeun sacara jelas varian mana anu aya dina méja supaya murid henteu ngahijikeun pangamatan tina kimia anu béda.

Kasalametan jeung penanganan

Pangawasan kudu terus aya. Paké pelindung panon pikeun cipratan bahan kimia jeung sarung leungeun nalika nanganan larutan basa atawa ngoyagkeun wadah anu ditutup. Basa bisa nyababkeun kaduruk kimia, zat warna ngotoran kulit jeung lawon, sarta stok zat warna anu dijieun dina étanol nambahan pangleyur anu gampang kaduruk kana méja laboratorium. Tetep tutup wadah nalika digoyangkeun. Sanggeus réngsé, tahan larutan anu geus dipaké pikeun diurus nurutkeun aturan laboratorium lembaga anjeun sorangan. Sarat pikeun runtah basa anu ngandung zat warna béda-béda antara lembaga jeung yurisdiksi, ku kituna turutan prosedur anu dipiboga laboratorium anjeun tinimbang nyokot prosedur ti sumber séjén.

Lamun anjeun hayang angka tinimbang robahna warna, uji kuantitatif pikeun métilén biru neruskeun ti tempat demonstrasi ieu réngsé.

Naha guru tetep maké botol ieu

Hiji labu ngaringkes opat gagasan. Rédoks jadi warna, lain ngan saukur définisi. Hiji médiator nunjukkeun kumaha saeutik pisan hiji zat bisa ngalaporkeun kaayaan jumlah badag zat séjén. Kinétika bisa dipisahkeun sacara katempo tina térmodinamika: oksigén unggul nalika ngoyagkeun nyadiakeunana, glukosa unggul nalika suplai eureun. Sarta difusi, prosés anu pangsepi dina kimia, jadi dasar sakabéh pertunjukan, sabab unggal kedipan biru dimimitian ku oksigén anu nyebrang tina hawa kana cai. Demonstrasi anu ngamungkinkeun murid ngaramalkeun, ngukur waktos, sarta ngajelaskeun sakabéh éta ku stopwatch jeung hiji tabél memang pantes meunang tempat dina méja laboratorium.