Jaribio la chupa ya bluu: kemia, utaratibu na uchunguzi

Chupa yenye kimiminika angavu imewekwa juu ya benchi. Inaonekana kama maji. Mtu anaikung'uta, na kimiminika kinageuka kuwa bluu angavu. Ikiachwa chini, rangi ya bluu hutoweka ndani ya dakika moja au mbili. Ikung'ute tena na rangi ya bluu hurudi. Ujazaji mmoja unaweza kurudia hali hii mara ishirini au zaidi.

Kwa kawaida wanafunzi hukisia kwamba kuna kitu kilichokuwa kimefichwa ndani ya chupa, au kwamba kukung'uta kulichanganya tabaka mbili. Makisio yote mawili hukosea kwa namna yenye kufundisha. Rangi hutokana na rangi moja tu, methylene blue, iliyopo kote kwenye kimiminika. Kinachobadilika ni idadi ya elektroni zinazobebwa na rangi hiyo. Onyesho hili ni mzunguko wa redoksi unaoonekana kwa macho, na kila kigezo ambacho darasa linaweza kuona, muda wa kukung'uta, halijoto, mkusanyiko, kinaendana na kipengele fulani katika kemia yake.

Miundo miwili ya rangi ileile

Methylene blue iliyooksidishwa ni mfumo tambarare wa pete wenye chaji chanya. Hufyonza kwa nguvu karibu na nanometres 600 hadi 700, jambo ambalo jicho huliona kama bluu iliyokolea. Miundo hiyo miwili na spektra zake zimeelezwa katika mwongozo wa muundo na sifa za methylene blue.

Upunguzaji huongeza elektroni mbili na protoni moja, na kutoa leucomethylene blue: isiyo na chaji, isiyo tambarare, na kwa ufanisi haina rangi. Katika myeyusho wa alkali, nusu-mmenyuko huandikwa MB+ + H2O + 2 e- ⇌ LMB + OH-. Hatua hiyo inaweza kurudishwa kikamilifu. Bluu humaanisha hali iliyooksidishwa, kutokuwa na rangi humaanisha hali iliyopunguzwa, na hakuna hali ya tatu ya kufuatilia, jambo linalofanya huu kuwa utangulizi safi wa kwanza wa kemia ya redoksi.

Mzunguko: glukosi hupunguza, oksijeni huoksidisha tena

Chupa ina viambato vitatu vinavyofanya kazi: methylene blue, glukosi na alkali kali, potassium au sodium hydroxide. Alkali huwezesha glukosi kuwa katika miundo tendaji iliyopoteza protoni ambayo hutoa elektroni kwa rangi:

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

Hatua hii ya polepole huondoa rangi wakati chupa imesimama. Glukosi ndiyo mtoaji wa kujitolea na hutumika. Rangi husafirisha elektroni tu, hivyo matone machache yanatosha kwa chupa nzima. Maelezo ya zamani ya darasani husema kwamba glukosi hubadilika kuwa gluconic acid. Muhtasari huo unatabiri uchunguzi, lakini wakufunzi wanapaswa kujua kwamba haujakamilika: uchanganuzi wa kimekanika uliochapishwa katika Royal Society Open Science hufuatilia uoksidishaji kupitia enediolate tendaji hadi dicarbonyl inayogawanyika kuwa asidi ndogo zaidi.

Kukung'uta hubadilisha matokeo yanayoonekana. Msukosuko huyeyusha oksijeni kutoka kwenye hewa iliyonaswa katika nafasi ya juu ya chupa, na oksijeni huoksidisha tena rangi iliyopunguzwa:

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

Ikiachwa imesimama, oksijeni iliyoyeyushwa huisha, glukosi hupunguza rangi tena, na rangi hufifia. Baada ya mizunguko mingi, kemia halisi ni uoksidishaji wa sukari kwa hewa, huku rangi ikizunguka bila kubadilika kama mpatanishi wa redoksi. Ni mpatanishi badala ya kichocheo halisi, kwa sababu uoksidishaji wa sukari huendelea bila hiyo, na kufifia si mtengano: rangi iliyoharibiwa isingeweza kurejeshwa kwa kukung'uta. Kwa kuhifadhi stoku za rangi zikiwa thabiti kati ya maonyesho, angalia maelezo kuhusu ushughulikiaji na uhifadhi wa miyeyusho ya methylene blue.

Utaratibu wa onyesho linalosimamiwa

Hili ni onyesho linalosimamiwa, si shughuli ya nyumbani. Alkali inahitaji kinga ya macho, glavu na mkufunzi anayewajibika kwa maandalizi na usafishaji. Miundo miwili iliyorekodiwa inakubaliana kwa muundo na hutofautiana kwa kiwango.

Karatasi ya maelekezo ya onyesho lililochapishwa na idara ya kemia ya Indiana University hutumia takribani asilimia 5 potassium hydroxide, asilimia 4 glukosi na asilimia 1 methylene blue ya majini. Mimina ujazo sawa wa miyeyusho ya alkali na glukosi katika chupa ya uwazi ya millilitre 250 au 500 hadi ifikie nusu, ukiacha sehemu iliyobaki kama nafasi ya juu yenye hewa. Ongeza matone machache ya rangi, funga kwa kifuniko, ziba sehemu ya muunganiko, kisha uiache isimame hadi rangi ya bluu itoweke. Utaratibu wa Royal Society of Chemistry huongeza wazo hilo hadi flaski yenye kizibo ya litre 1: millilitres 300 za maji, grams 10 za glukosi, grams 8 za potassium hydroxide (au grams 6 za sodium hydroxide), pamoja na millilitres chache za stoku ya rangi iliyopunguzwa ukolezi.

Ili kufanya onyesho, kung'uta kwa nguvu. Rangi kamili ya bluu hutokea ndani ya sekunde. Weka flaski chini na pima muda wa kufifia. Royal Society of Chemistry inaripoti zaidi ya mizunguko ishirini kwa kila ujazo. Kamwe usijaze chupa hadi ukingoni: bila hewa iliyonaswa hakuna akiba ya oksijeni ya kuyeyuka.

Nini cha kuchunguza, na nini hubadilisha muda

Pima muda wa mambo matatu: kukung'uta hadi bluu kamili (sekunde), kusimama hadi kutokuwa na rangi (hadi dakika chache), na idadi ya mizunguko kabla rangi ya bluu haijadhoofika. Karibu na mwisho wa kila kufifia, tazama uso wa kimiminika. Tabaka jembamba la bluu mara nyingi hubaki kwenye mpaka wa hewa, ambapo oksijeni huendelea kusambaa kuingia. Mstari huo ni usambaaji unaoonekana kwa macho.

Mmenyuko wa chupa ya bluu hufuata sheria ya kasi ya kijaribio iliyoripotiwa pamoja na utaratibu wa Royal Society of Chemistry: rate = k[MB oxidised][glucose]OH-. Kila kipengele ni jaribio la darasani. Glukosi, alkali au rangi nyingi zaidi hupunguza muda wa bluu. Joto huongeza kasi ya kufifia; flaski baridi huwa polepole. Kukung'uta kwa nguvu zaidi huyeyusha oksijeni zaidi, hivyo bluu hudumu zaidi. Nafasi kubwa zaidi ya juu huongeza muda wa jaribio. Mizunguko inapodhoofika hatimaye na kimiminika kuwa cha manjano, sukari imekwisha na bidhaa za pembeni zimekusanyika. Hatua hiyo ya mwisho yenyewe ni matokeo yanayostahili kurekodiwa.

Karatasi ya uchunguzi

Nakili jedwali hili kwenye madaftari, safu mlalo moja kwa kila jaribio. Karatasi hii pamoja na mchoro wa mmenyuko hapo juu ndizo nyenzo zinazoweza kuchapishwa za makala hii.

Maswali ya utabiri, yajibiwe kabla ya kila jaribio:

• Chupa ni bluu mara tu baada ya kukung'utwa. Ni muundo gani wa rangi unaotawala, na nini kiliuweka katika hali hiyo?
• Chupa inasimama na kufifia. Ni mmenyuko gani unaotawala, na ni kiambato gani kinachotumika?
• Baada ya mizunguko mingi, bluu huwa hafifu na ya manjano. Irejeshe kwa rangi, alkali au glukosi, na kwa nini?
• Chora rangi dhidi ya muda kwa mzunguko mmoja. Weka alama mahali ambapo oksijeni huingia kwenye myeyusho.

Majibu ya mkufunzi: (1) methylene blue iliyooksidishwa, iliyo oksidishwa tena na oksijeni iliyoyeyushwa kutoka nafasi ya juu yenye hewa; (2) upunguzaji unaofanywa na glukosi, glukosi hutumika; (3) glukosi, mtoaji mwenye kikomo, kwa sababu rangi huzunguka bila kubadilika; (4) kupanda kwa kasi wakati wa kukung'uta, kushuka taratibu wakati wa kusimama, oksijeni huingia wakati wa kupanda pekee.

Jamaa wa karibu wanaostahili kutajwa

Onyesho la taa za trafiki hubadilisha methylene blue kwa indigo carmine na hupitia manjano, nyekundu na kijani kwa kuingiza oksijeni. Jina green bottle hutumiwa kwa upana: wakati mwingine kwa toleo hilo, wakati mwingine kwa miundo yenye kijani zaidi kama mifumo ya ascorbic acid au mfumo wa mzunguko wa kienzimati ulioelezwa na American Chemical Society. Taja toleo lolote lililo kwenye benchi ili wanafunzi wasichanganye uchunguzi kutoka kemia tofauti.

Usalama na ushughulikiaji

Usimamizi wakati wote. Tumia kinga ya macho dhidi ya matone ya kemikali na glavu unaposhughulikia myeyusho wa alkali au kukung'uta chombo chenye kizibo. Alkali husababisha majeraha ya kuungua, rangi huchafua ngozi na kitambaa, na stoku za rangi zilizotengenezwa katika ethanol huongeza kiyeyushi kinachoweza kuwaka kwenye benchi. Weka chombo kikiwa kimefungwa kwa kizibo wakati wa kukung'uta. Baadaye, hifadhi miyeyusho iliyotumika ili ishughulikiwe kwa mujibu wa kanuni za maabara za taasisi yako. Masharti ya taka zenye alkali na rangi hutofautiana kati ya taasisi na mamlaka, hivyo fuata utaratibu wa maabara yako badala ya kuleta utaratibu kutoka chanzo kingine.

Ikiwa unataka namba badala ya mabadiliko ya rangi, vipimo vya kiasi vya methylene blue vinaanzia pale ambapo onyesho hili linaishia.

Kwa nini walimu huendelea kutumia chupa hii

Flaski moja hukusanya mawazo manne. Redoksi huwa rangi badala ya ufafanuzi. Mpatanishi huonyesha jinsi kiasi kidogo cha dutu moja kinavyoripoti kuhusu kiasi kikubwa cha nyingine. Kinetiki hutenganishwa kwa kuonekana na thermodynamics: oksijeni hutawala wakati kukung'uta kunapoendelea kuiingiza, glukosi hutawala wakati usambazaji unapokoma. Na usambaaji, mchakato tulivu zaidi katika kemia, ndio unaowezesha onyesho zima, kwa sababu kila mwako wa bluu huanza na oksijeni kuvuka kutoka hewani kuingia majini. Onyesho linalowawezesha wanafunzi kutabiri, kupima muda na kueleza yote hayo kwa kutumia saa ya kupima muda na jedwali limestahili nafasi yake kwenye benchi.