Msambao wa bluu ya methilini na permanganati: jaribio la agar linaonyesha nini

Mwalimu anakata visima viwili katika sahani ya agar, anajaza kimoja rangi ya bluu na kingine myeyusho wa zambarau, kisha anawaambia wanafunzi waangalie. Baada ya saa moja, duara la zambarau limekuwa pana zaidi. Wanafunzi wanaandika kwamba permanganati ya potasiamu husambaa haraka kuliko bluu ya methilini kwa sababu ina uzito mdogo.

Sentensi hiyo ni sahihi kwa nusu na inapotosha kwa nusu, na sehemu inayopotosha ndiyo inayovutia. Onyesho hili ni somo la kawaida la msambao, linaloelezwa kwa mfano katika zoezi hili la maabara kuhusu msambao katika agar, lakini kile wanafunzi wanachoona si athari ya uzito wa molekuli. Ni mwendo wa mpaka wa rangi unaoonekana kupitia jeli, unaoathiriwa na ukubwa wa ioni, uzungukwaji wake na maji, kufungamana kwa rangi, mkusanyiko, halijoto, na namna mpaka unavyopimwa.

Mpaka wa rangi si mgawo wa msambao

Msambao ni kusambaa kwa chembe zilizoyeyushwa kutoka eneo lenye mkusanyiko mkubwa kwenda lenye mkusanyiko mdogo. Mgawo wa msambao, ambao kwa kawaida huandikwa D, unaeleza kasi ya kusambaa huko kwa dutu fulani iliyoyeyushwa katika mazingira fulani na halijoto fulani.

Sahani ya darasani haionyeshi D moja kwa moja. Inaonyesha mpaka ambapo rangi inakuwa hafifu mno kuonekana. Mpaka huo hutegemea uwezo wa rangi kufyonza mwanga, mwangaza, muda wa kamera kupokea mwanga, mkusanyiko uliowekwa kisimani, na uamuzi wa mtu anayeshika rula, pamoja na msambao wenyewe.

Kiite kipimo cha darasani kwa jina linalokifaa: mwendo wa mpaka wa msambao unaoonekana. Uchambuzi rasmi huhusianisha wastani wa mraba wa uhamisho na D kupitia mahusiano ya aina inayopatikana katika uchambuzi wa msambao wa Fick, lakini kubaini D kwa kulinganisha modeli na data kunahitaji profaili za mkusanyiko kwa nyakati mbalimbali, si kipenyo kimoja mwishoni mwa kipindi. Utafiti mmoja wa darasani uliochapishwa ulipata mgawo wa msambao wa bluu ya methilini katika jeli wa karibu 4.5 mara 10^-10 m^2/s kwa kuchora grafu ya mraba wa umbali dhidi ya muda, badala ya kulinganisha ukubwa wa madoa mwishoni. Picha moja ya wakati fulani haiwezi kufanya kazi hiyo.

Hii ndiyo dhana iliyo nyuma ya onyesho hili, na mambo mengine yote ni maelezo ya jinsi sahani inavyoiwakilisha kwa usahihi.

Ioni mbili zenye rangi, si molekuli mbili

Hakuna kati ya dutu hizi mbili inayopita kwenye agar ikiwa katika umbo la fomula iliyochapishwa kwenye chupa. Zote mbili ni elektroliti kali zinazojitenga kuwa ioni katika maji.

Permanganati ya potasiamu (KMnO4, uzito wa fomula wa takriban 158.03 g/mol) hujitenga kuwa ioni za potasiamu na ioni za permanganati. Kinachosafiri kikiwa na rangi ya zambarau ni ioni ya permanganati MnO4^-, yenye uzito wa takriban 118.94 g/mol, iliyozungukwa na tabaka la maji. Kloridi ya bluu ya methilini (chumvi isiyo na maji C16H18ClN3S, takriban 319.85 g/mol) hujitenga kuwa kloridi na kationi ya kikaboni yenye rangi ya bluu MB^+, yenye uzito wa takriban 284.41 g/mol, ambayo pia imezungukwa na maji. Rekodi ya NIST ya bluu ya methilini na ingizo la ChEBI la bluu ya methilini zinaeleza maumbo haya, na rejea ya kemia na muundo inaeleza kwa nini kationi, chumvi isiyo na maji, na hidrati zinahitaji majina tofauti.

Hili lina matokeo matatu.

Kwanza, kulinganisha 158 na 320 kunapunguza tofauti halisi ya ukubwa kati ya ioni zenye rangi, kwa kuwa spishi ya zambarau yenye takriban 119 g/mol ni ndogo sana kuliko kationi ya bluu yenye takriban 284 g/mol, na zote zina tabaka za maji zinazoongeza ukubwa wao halisi wakati wa kusonga.

Pili, kationi za bluu ya methilini hushikamana na vitu. Huunda dima na mikusanyiko mikubwa zaidi kadiri mkusanyiko unavyoongezeka, na hushikamana na uso wa agar; kufungamana kwa monoma na dima kumeripotiwa katika tafiti za ushikamano kwenye uso wa agar. Rangi iliyoshikamana kwenye uso hukaa palepale. Huipa jeli rangi bila kuusogeza mpaka.

Tatu, unga wa kawaida wa kitendanishi ni hidrati, hivyo gramu iliyopimwa ina maji ndani ya fuwele. Ulinganisho wa trihidrati na chumvi isiyo na maji unaonyesha jinsi jambo hilo linavyobadilisha molariti. Kwa ulinganisho wa haki darasani, tayarisha miyeyusho yenye mikusanyiko sawa ya moli za chumvi na uandike ni umbo gani la dutu imara lililotumiwa.

Kwa nini uzito mdogo haumaanishi kasi kubwa hapa

Katika vimiminika vyenye mikusanyiko midogo, modeli bora ya kuanzia kuliko uzito ni modeli ya Stokes-Einstein, ambamo mgawo wa msambao hulingana na halijoto iliyogawanywa kwa mnato na nusukipenyo cha hidrodinamiki. Chembe yenye ukubwa mdogo zaidi ikiwa imezungukwa na maji ndiyo husambaa haraka zaidi. Mara nyingi uzito mdogo huhusiana na ukubwa mdogo ndani ya kundi moja la kemikali, hivyo uzito mdogo unaweza kuonekana kuwa maelezo. Ni uhusiano, si utaratibu unaosababisha msambao.

Sheria ya Graham, inayosema kwamba kasi za gesi kutoka kupitia tundu dogo hulingana na kinyume cha mzizi wa pili wa uzito wa moli, haitawali sahani hii. Utohozi wake unatokana na nadharia ya kinetiki ya gesi, iliyofupishwa katika maelezo haya ya OpenStax kuhusu utokaji kupitia tundu dogo na msambao wa gesi. Vimiminika huongeza ukinzani wa mnato, uzungukwaji na maji, athari za umbo, na msongamano. Jeli huongeza muundo wa vinyweleo, njia zenye mikunjo, ushikamano kwenye uso, na mwingiliano wa chaji na polima.

Namba zinaonyesha tofauti hiyo. Sheria ya Graham ikitumika kwa 158 dhidi ya 320 hutabiri uwiano wa kasi wa takriban 1.42. Migawo ya msambao iliyopimwa katika miyeyusho hafifu ya maji inaonyesha jambo tofauti: permanganati karibu 1.6 hadi 1.8 mara 10^-9 m^2/s dhidi ya bluu ya methilini karibu 4.5 hadi 5 mara 10^-10 m^2/s, uwiano ulio karibu zaidi na 3 au 4. Uzito pekee hauwezi kutoa uwiano huo. Ukubwa wa chembe zilizozungukwa na maji, kuungana kuwa mikusanyiko, na kufungamana na jeli huchangia tofauti iliyobaki.

Ichukulie dhana ya uzito mdogo na kasi kubwa kama modeli yenye masharti ya kudhania: chembe za umbo la tufe, hakuna kufungamana, hakuna kuungana kuwa mikusanyiko, na hali zinazofanana. Sahani hii haikidhi angalau mawili kati ya masharti hayo.

Jinsi ya kufanya ulinganisho wa haki

Onyesho hili hushindwa kama programu zinavyoshindwa: dhana ya msingi ni sahihi, lakini kuibadilisha dhana hiyo kuwa kipimo kuna mitego mingi. Kila jambo kati ya haya hubadilisha jibu bila kubadilisha sifa yoyote ya molekuli.

Tumia agar kutoka kundi moja iliyomiminwa kwa kina kimoja, kifaa kimoja cha kukata visima, ujazo sawa wa kimiminika, mikusanyiko sawa ya moli, na mikusanyiko midogo ya kutosha kupunguza kuungana kwa bluu ya methilini na kuzuia rangi kuwa nzito mno. Kata angalau visima vitatu vya kurudia kwa kila dutu iliyoyeyushwa, vikiwa mbali vya kutosha ili mipaka isikutane kamwe. Funika sahani, ziweke sawa bila kuinama, na dumisha halijoto, kwa kuwa tafiti za rangi katika agar zinaonyesha utegemezi mkubwa wa halijoto na mkusanyiko. Bainisha muda sifuri kuwa wakati wa kujaza, na ubainishe mpaka kabla ya kupima: kizingiti kisichobadilika kwenye picha ni bora kuliko mpaka uliokadiriwa kwa macho, kwa sababu bluu na zambarau zina viwango tofauti vya chini vya kuonekana. Rekodi vipenyo viwili vinavyokatana kwa pembe ya mraba kwa kila doa na uvibadilishe kuwa nusukipenyo cha wastani, kwa kuwa kuchanganya nusukipenyo na kipenyo hupotosha grafu yoyote ya mraba wa umbali kwa kizidishi cha nne.

Lebo: paneli ya kushoto inaonyesha nusukipenyo kinachopimwa kutoka juu, kuanzia ukingo wa kisima hadi mpaka wa rangi kwa kila mpaka wa msambao; paneli ya kulia inaonyesha sehemu ya mkato wa agar yenye kina cha kisima na maeneo yanayozunguka kisima yenye mteremko wa mkusanyiko kuelekea nje; ufunguo unaorodhesha vigezo vinavyodhibitiwa (asilimia ya agar, unene, molariti ya rangi, ujazo, ukubwa wa kisima, halijoto, muda sifuri, mwangaza).

Jihadhari na athari zinazoweza kuiga msambao. Kimiminika kinachomwagika juu ya uso wa agar huonekana kama msambao wa haraka, na ni athari potofu iliyorekodiwa katika visima vidogo vya agar. Permanganati ni kioksidishaji chenye nguvu na inaweza kutumiwa na mabaki madogo ya dutu za kikaboni, jambo linalozuia mpaka wake kusonga au kufifisha rangi yake. Bluu ya methilini hushiriki katika miitikio ya redoksi na inaweza kufifia chini ya mwanga au hali zinazochochea uredukishaji; kemia ya redoksi ya bluu ya methilini na umbo lake lililoredukishwa lisilo na rangi inaeleza tabia hiyo.

Dokezo fupi kuhusu kiyeyushi: visima vyote viwili katika onyesho la kawaida hutumia miyeyusho ya maji. Ikiwa utaratibu utabadilisha kiyeyushi, angalia kwanza mwongozo wa umumunyifu na utayarishaji wa miyeyusho, kwa sababu umumunyifu na kuungana kuwa mikusanyiko hubadilika kulingana na mazingira ya myeyusho.

Karatasi ya kurekodi uchunguzi wa darasani

Nakili jedwali hili katika madaftari au chapisha mstari mmoja kwa kila kisima. Jedwali moja kwa kila sahani husaidia kurekodi marudio kwa usahihi.

Kwa uchambuzi, chora grafu ya mraba wa nusukipenyo cha wastani dhidi ya muda uliopita kwa kila kisima na ulinganishe miteremko, ukieleza jinsi mpaka ulivyobainishwa kando ya grafu. Mikunjo yote sita ikionyeshwa pamoja na tofauti zake, wanafunzi huona utofauti kama data badala ya jambo la kuaibisha.

Usalama ni sehemu ya utaratibu: vaa glavu na kinga ya macho, kwa kuwa bluu ya methilini hutia madoa kwenye ngozi na nguo, na permanganati ni kioksidishaji kinachotia madoa na kusababisha muwasho. Usitie miyeyusho mdomoni, fanyia kazi juu ya trei, na tupa sahani na vimiminika kupitia utaratibu wa shule wa taka za kemikali badala ya sinki.

Sentensi inayofaa kuandikwa

Chini ya hali hizi za agar, mkusanyiko, na halijoto, mpaka unaoonekana wa permanganati kwa kawaida husambaa haraka kuliko mpaka wa bluu ya methilini. Hili linaendana na permanganati kuwa na mgawo mkubwa zaidi wa msambao unaotumika katika hali hizi, hasa kwa sababu ioni yake iliyozungukwa na maji ni ndogo sana na haiungani kuwa mikusanyiko wala kufungamana na agar kama bluu ya methilini. Uzito wa molekuli unahusiana na tofauti hiyo ya ukubwa hapa, lakini uzito pekee hauamui kasi za msambao katika vimiminika au jeli.

Wanafunzi wanaoandika sentensi hiyo wamejifunza mambo mawili: ukweli kuhusu ioni mbili zenye rangi, na desturi ya kuuliza onyesho linapima nini kabla ya kuamini kile linachoonekana kusema.