மெத்திலீன் நீலம் மற்றும் பெர்மாங்கனேட் விரவல்: அகர் சோதனை காட்டுவது என்ன

ஓர் ஆசிரியர் அகர் தட்டில் இரண்டு குழிகளை வெட்டி, ஒன்றில் நீலச் சாயத்தையும் மற்றொன்றில் ஊதா நிறக் கரைசலையும் நிரப்பி, மாணவர்களைக் கவனிக்கச் சொல்கிறார். ஒரு மணி நேரத்திற்குப் பிறகு ஊதா வளையம் அகலமாக இருக்கிறது. பொட்டாசியம் பெர்மாங்கனேட் எடை குறைவாக இருப்பதால் மெத்திலீன் நீலத்தைவிட வேகமாக விரவுகிறது என்று மாணவர்கள் எழுதிக்கொள்கிறார்கள்.

அந்த வாக்கியம் பாதி சரி, பாதி தவறாக வழிநடத்துவது; தவறாக வழிநடத்தும் பாதிதான் சுவாரசியமானது. இந்தச் செயல்விளக்கம் ஒரு வழக்கமான விரவல் பாடமாகும்; எடுத்துக்காட்டாக, இந்த அகர் விரவல் ஆய்வகப் பயிற்சியில் இது விவரிக்கப்பட்டுள்ளது. ஆனால் மாணவர்கள் காண்பது மூலக்கூறு நிறையின் செயல்பாட்டை அல்ல. ஜெல்லின் வழியாகக் கண்ணுக்குத் தெரியும் நிற விளிம்பு நகர்வதைத்தான் அவர்கள் காண்கிறார்கள். அயனியின் அளவு, நீரேற்றம், சாயத்தின் பிணைப்பு, செறிவு, வெப்பநிலை, விளிம்பு அளவிடப்படும் முறை ஆகியவை அந்த நகர்வை நிர்ணயிக்கின்றன.

நிற விளிம்பு என்பது விரவல் கெழு அல்ல

விரவல் என்பது கரைந்த துகள்கள் அதிகச் செறிவுள்ள இடத்திலிருந்து குறைந்த செறிவுள்ள இடத்திற்குப் பரவுவது. பொதுவாக D என்று குறிக்கப்படும் விரவல் கெழு, குறிப்பிட்ட வெப்பநிலையில், குறிப்பிட்ட ஊடகத்தில், குறிப்பிட்ட கரைபொருள் எவ்வளவு வேகமாகப் பரவுகிறது என்பதை விவரிக்கிறது.

வகுப்பறைத் தட்டு D-ஐ நேரடியாகக் காட்டுவதில்லை. நிறம் கண்ணுக்குத் தெரியாத அளவுக்கு மங்கிவிடும் எல்லையைத்தான் அது காட்டுகிறது. அந்த எல்லை விரவலை மட்டுமல்லாமல், சாயத்தின் ஒளி உறிஞ்சும் திறன், ஒளியமைப்பு, கேமராவின் ஒளிப்பதிவு அளவு, குழியில் இடப்பட்ட செறிவு, அளவுகோலைப் பிடித்திருப்பவரின் மதிப்பீடு ஆகியவற்றையும் சார்ந்துள்ளது.

வகுப்பறையில் அளவிடுவது எதுவோ, அதை அப்படியே குறிப்பிடுங்கள்: கண்ணுக்குத் தெரியும் விரவல் முனையின் நகர்வு. முறையான பகுப்பாய்வுகள், ஃபிக்கிய விரவல் பகுப்பாய்வில் காணப்படும் வகையிலான தொடர்புகள் மூலம் சராசரி இருமடி இடப்பெயர்ச்சியை D உடன் இணைக்கின்றன. ஆனால் D-ஐ மதிப்பிட, காலப்போக்கில் செறிவு எவ்வாறு மாறுகிறது என்பதற்கான விவரங்கள் தேவை; வகுப்பு முடிவில் அளவிடப்பட்ட ஒரே விட்டம் போதாது. வெளியிடப்பட்ட ஒரு வகுப்பறை ஆய்வில், இறுதி நிறப்பகுதிகளின் அளவுகளை ஒப்பிடுவதற்குப் பதிலாக, தூரத்தின் இருமடியைக் காலத்திற்கு எதிராக வரைபடமிட்டு, ஜெல்லில் மெத்திலீன் நீலத்தின் விரவுதிறன் சுமார் 4.5 மடங்கு 10^-10 m^2/s எனப் பெறப்பட்டது. ஒரே நேரத்தில் எடுக்கப்பட்ட ஒரு படம் அந்தப் பணியைச் செய்ய முடியாது.

இதுவே செயல்விளக்கத்தின் அடிப்படைக் கருத்து. மற்ற அனைத்தும், தட்டு இந்தக் கருத்தை எவ்வளவு துல்லியமாகப் பிரதிபலிக்கிறது என்பதைப் பற்றிய விவரங்களே.

இரண்டு நிற அயனிகள்; இரண்டு மூலக்கூறுகள் அல்ல

புட்டியில் அச்சிடப்பட்டுள்ள வாய்ப்பாட்டின் வடிவில் எந்தக் கரைபொருளும் அகரின் வழியாக நகர்வதில்லை. இரண்டும் நீரில் பிரிந்து அயனிகளாகும் வலுவான மின்பகுளிகள்.

பொட்டாசியம் பெர்மாங்கனேட் (KMnO4, வாய்ப்பாட்டு நிறை சுமார் 158.03 g/mol) பொட்டாசியம் அயனிகளாகவும் பெர்மாங்கனேட் அயனிகளாகவும் பிரிகிறது. ஊதா நிறத்தில் நகர்வது பெர்மாங்கனேட் அயனி MnO4^-; அதன் நிறை சுமார் 118.94 g/mol, அதைச் சுற்றி நீர் மூலக்கூறுகளின் உறை உள்ளது. மெத்திலீன் நீல குளோரைடு (நீரற்ற உப்பு C16H18ClN3S, சுமார் 319.85 g/mol) குளோரைடாகவும் நீல நிறக் கரிம நேரயனி MB^+ ஆகவும் பிரிகிறது. இந்த நேரயனியின் நிறை சுமார் 284.41 g/mol; இதுவும் நீரேற்றப்பட்டதே. NIST மெத்திலீன் நீலப் பதிவு மற்றும் ChEBI மெத்திலீன் நீலப் பதிவு இந்த வடிவங்களை ஆவணப்படுத்துகின்றன. நேரயனி, நீரற்ற உப்பு, நீரேற்றப் படிக வடிவங்கள் ஆகியவற்றிற்குத் தனித்தனிப் பெயர்கள் ஏன் தேவை என்பதை வேதியியல் மற்றும் கட்டமைப்பு மேற்கோள் விளக்குகிறது.

இதிலிருந்து மூன்று விளைவுகள் ஏற்படுகின்றன.

முதலாவதாக, 158-ஐ 320 உடன் ஒப்பிடுவது நிற அயனிகளுக்கு இடையிலான உண்மையான அளவு வேறுபாட்டைக் குறைத்துக் காட்டுகிறது. ஏனெனில் சுமார் 119 g/mol நிறையுள்ள ஊதா அயனி, சுமார் 284 g/mol நிறையுள்ள நீல நேரயனியைவிட மிகவும் சிறியது. மேலும், இரண்டுமே அவற்றின் செயல்பாட்டு அளவை அதிகரிக்கும் நீரேற்ற உறைகளைக் கொண்டுள்ளன.

இரண்டாவதாக, மெத்திலீன் நீல நேரயனிகள் பொருள்களில் ஒட்டிக்கொள்கின்றன. செறிவு அதிகரிக்கும்போது அவை இரட்டைய மூலக்கூறுகளாகவும் பெரிய திரள்களாகவும் உருவாகின்றன. அவை அகரின் மேற்பரப்பிலும் கவரப்படுகின்றன; ஒற்றை மூலக்கூறு மற்றும் இரட்டைய மூலக்கூறு இரண்டின் பிணைப்பும் அகர் பரப்புக் கவர்ச்சி ஆய்வுகளில் பதிவாகியுள்ளது. பரப்பில் கவரப்பட்ட சாயம் நகராமல் இருக்கும். அது ஜெல்லுக்கு நிறமளிக்கிறது; ஆனால் விரவல் முனையை முன்னேற்றுவதில்லை.

மூன்றாவதாக, வழக்கமாகப் பயன்படுத்தப்படும் வினைப்பொருள் தூள் ஒரு நீரேற்றப் படிக வடிவம். எனவே எடையிடப்பட்ட ஒரு கிராமில் படிகத்திலுள்ள நீரும் அடங்கும். அது மோலார் செறிவை எவ்வாறு மாற்றுகிறது என்பதை முந்நீரேற்ற வடிவத்திற்கும் நீரற்ற வடிவத்திற்கும் இடையிலான ஒப்பீடு காட்டுகிறது. நியாயமான வகுப்பறை ஒப்பீட்டிற்காக, உப்புகளின் மோலார் செறிவுகள் சமமாக இருக்குமாறு கரைசல்களைத் தயாரித்து, எந்தத் திட வடிவம் பயன்படுத்தப்பட்டது என்பதைப் பதிவு செய்யுங்கள்.

இங்கு எடை குறைவு ஏன் அதிக வேகத்தைக் குறிக்கவில்லை

நீர்த்த திரவங்களில், நிறையை அடிப்படையாகக் கொண்ட மாதிரியை விட ஸ்டோக்ஸ்–ஐன்ஸ்டீன் அணுகுமுறை சிறந்த தொடக்க மாதிரியாகும். இதில், வெப்பநிலையைப் பாகுநிலையாலும் நீரியக்க ஆரத்தாலும் வகுத்த மதிப்பிற்கு ஏற்ப விரவுதிறன் மாறுகிறது. நீரேற்றப்பட்ட அளவு சிறியதாக இருப்பதே சாதகமானது. ஒரே வேதியியல் குடும்பத்திற்குள் குறைந்த நிறை பெரும்பாலும் சிறிய அளவுடன் தொடர்புடையதாக இருக்கும். அதனால் எடை குறைவு ஒரு விளக்கமாகத் தோன்றலாம். அது ஒரு தொடர்புதான்; செயல்முறை அல்ல.

வாயுக்கள் நுண்துளை வழியாக வெளியேறும் வேகம், மோலார் நிறையின் வர்க்கமூலத்தின் தலைகீழ் மதிப்பிற்கு ஏற்ப மாறுகிறது என்று கூறும் கிரஹாமின் விதி, இந்தத் தட்டிற்குப் பொருந்தாது. அந்த விதியின் வருவிப்பு வாயுக்களின் இயக்கவியல் கோட்பாட்டைச் சார்ந்தது; அது இந்த வாயுக்களின் நுண்துளை வெளியேற்றம் மற்றும் விரவல் பற்றிய OpenStax விளக்கத்தில் சுருக்கப்பட்டுள்ளது. திரவங்களில் பாகுநிலை இழுவிசை, நீரேற்றம், வடிவத்தின் தாக்கங்கள், துகள்களின் நெருக்கம் ஆகியவை கூடுதலாகச் செயல்படுகின்றன. ஜெல்களில் துளை அமைப்பு, வளைந்து நெளிந்த பாதைகள், பரப்புக் கவர்ச்சி, பலபடியுடன் ஏற்படும் மின்சுமை இடைவினைகள் ஆகியவையும் சேர்ந்துகொள்கின்றன.

எண்கள் இந்த வேறுபாட்டை வெளிப்படுத்துகின்றன. 158 மற்றும் 320 ஆகியவற்றிற்கு கிரஹாமின் விதியைப் பயன்படுத்தினால், வேக விகிதம் சுமார் 1.42 எனக் கணிக்கப்படுகிறது. நீர்த்த நீர்க்கரைசல்களில் அளவிடப்பட்ட விரவுதிறன்கள் வேறொரு நிலையைச் சொல்கின்றன: பெர்மாங்கனேட்டிற்கு சுமார் 1.6 முதல் 1.8 மடங்கு 10^-9 m^2/s; மெத்திலீன் நீலத்திற்கு சுமார் 4.5 முதல் 5 மடங்கு 10^-10 m^2/s. இவற்றின் விகிதம் 3 அல்லது 4-க்கு நெருக்கமாக உள்ளது. நிறை மட்டும் அந்த விகிதத்தை உருவாக்க முடியாது. நீரேற்றப்பட்ட அளவு, திரள் உருவாக்கம், ஜெல்லுடன் பிணைதல் ஆகியவை மீதமுள்ள வேறுபாட்டை ஏற்படுத்துகின்றன.

எடை குறைந்தால் வேகம் அதிகம் என்ற கருத்தை, சில அனுமானங்களைக் கொண்ட மாதிரியாகவே கருதுங்கள்: கோள வடிவத் துகள்கள், பிணைப்பு இல்லாமை, திரள் உருவாக்கம் இல்லாமை, ஒரே மாதிரியான நிலைமைகள். இந்தத் தட்டு அவற்றில் குறைந்தது இரண்டையாவது மீறுகிறது.

நியாயமான ஒப்பீட்டை நடத்துவது எப்படி

மென்பொருள் தோல்வியடைவதைப் போலவே இந்தச் செயல்விளக்கமும் தோல்வியடையலாம்: அடிப்படைக் கருத்து சரியானதுதான்; ஆனால் கருத்தை அளவீடாக மாற்றும் வழியில் பல சிக்கல்கள் உள்ளன. கீழே உள்ள ஒவ்வொன்றும் எந்த மூலக்கூறு பண்பையும் மாற்றாமலேயே முடிவை மாற்றுகிறது.

ஒரே தொகுதியில் தயாரிக்கப்பட்ட அகரை ஒரே ஆழத்திற்கு ஊற்றுங்கள்; ஒரே குழி வெட்டும் கருவி, சமமான திரவக் கனஅளவுகள், சமமான மோலார் செறிவுகள் ஆகியவற்றைப் பயன்படுத்துங்கள். மெத்திலீன் நீலத்தின் திரள் உருவாக்கத்தைக் கட்டுப்படுத்தவும் நிறம் செறிவுற்றுத் தெரியாமல் இருக்கவும் செறிவுகளைப் போதுமான அளவு குறைவாக வைத்திருங்கள். ஒவ்வொரு கரைபொருளுக்கும் குறைந்தது மூன்று மீள்சோதனைக் குழிகளை வெட்டுங்கள்; விரவல் முனைகள் ஒருபோதும் சந்திக்காதபடி இடைவெளி விடுங்கள். தட்டுகளை மூடி, சமநிலையில் வைத்து, வெப்பநிலையை மாறாமல் வைத்திருங்கள். ஏனெனில் அகர் சாய ஆய்வுகள் வலுவான வெப்பநிலை மற்றும் செறிவு சார்பை காட்டுகின்றன. நிரப்பும் தருணத்தை நேரம் பூஜ்ஜியம் என வரையறுத்து, அளவிடுவதற்கு முன்பே விளிம்பை வரையறுங்கள்: நீலம் மற்றும் ஊதா நிறங்களைக் கண்ணால் கண்டறியும் வரம்புகள் வேறுபடுவதால், கண்களால் தோராயமாகத் தீர்மானிக்கும் எல்லையைவிடப் புகைப்படத்தில் நிர்ணயிக்கப்பட்ட ஒரு வரம்பு சிறந்தது. ஒவ்வொரு நிறப்பகுதிக்கும் ஒன்றுக்கொன்று செங்குத்தான இரண்டு விட்டங்களைப் பதிவு செய்து, அவற்றைச் சராசரி ஆரமாக மாற்றுங்கள். ஏனெனில் ஆரத்தையும் விட்டத்தையும் குழப்புவது, தூரத்தின் இருமடி அடிப்படையிலான எந்த வரைபடத்திலும் நான்கு மடங்கு பிழையை ஏற்படுத்தும்.

குறிப்புகள்: இடப்பக்கப் படம், ஒவ்வொரு விரவல் முனைக்கும் குழியின் விளிம்பிலிருந்து நிற விளிம்பு வரை மேலிருந்து அளவிடப்படும் ஆரத்தைக் காட்டுகிறது; வலப்பக்கப் படம், குழியின் ஆழம் மற்றும் வெளிநோக்கிச் செறிவு படிப்படியாகக் குறையும் வளையங்களுடன் அகரின் குறுக்குவெட்டைக் காட்டுகிறது; விளக்கப் பட்டியல் கட்டுப்படுத்தப்பட்ட மாறிகளைக் குறிப்பிடுகிறது (அகர் சதவீதம், தடிமன், சாயத்தின் மோலார் செறிவு, கனஅளவு, குழியின் அளவு, வெப்பநிலை, நேரம் பூஜ்ஜியம், ஒளியமைப்பு).

தவறான தோற்றங்களைத் தரும் நிகழ்வுகளைக் கவனியுங்கள். அகர் மேற்பரப்பில் சிந்திப் பரவும் திரவம், வேகமான விரவல் போலத் தோன்றும்; இது சிறிய அகர் குழிகளில் ஆவணப்படுத்தப்பட்ட ஒரு சோதனைப் பிழைத் தோற்றமாகும். பெர்மாங்கனேட் ஒரு வலுவான ஆக்சிஜனேற்றி. மிகச் சிறிய அளவிலான கரிமப் பொருளுடன் வினைபுரிந்து அது நுகரப்படலாம்; இதனால் அதன் விரவல் முனை நின்றுவிடலாம் அல்லது நிறமிழக்கலாம். மெத்திலீன் நீலம் ஆக்சிஜனேற்ற–ஒடுக்க வினைகளில் செயல்படக்கூடியது; ஒளியிலோ ஒடுக்கும் நிலைமைகளிலோ அது மங்கலாம். மெத்திலீன் நீலத்தின் ஆக்சிஜனேற்ற–ஒடுக்க வேதியியலும் அதன் நிறமற்ற ஒடுக்கப்பட்ட வடிவமும் இந்த நடத்தையை விளக்குகின்றன.

கரைப்பான் பற்றிய ஒரு சிறு குறிப்பு: வழக்கமான செயல்விளக்கத்தில் இரண்டு குழிகளிலும் நீர்க்கரைசல்களே உள்ளன. ஒரு செய்முறை கரைப்பானை மாற்றினால், முதலில் கரைதிறன் மற்றும் கரைசல் தயாரிப்பு வழிகாட்டியை பாருங்கள். ஏனெனில் கரைதிறனும் திரள் உருவாக்கமும் ஊடகத்திற்கு ஏற்ப மாறுகின்றன.

வகுப்பறைக் கவனிப்புப் பணித்தாள்

இந்த அட்டவணையை நோட்டுப் புத்தகங்களில் நகலெடுக்கவும் அல்லது ஒவ்வொரு குழிக்கும் ஒரு வரியை அச்சிடவும். ஒவ்வொரு தட்டிற்கும் தனித்தனி அட்டவணை வைத்திருப்பது மீள்சோதனைகளைத் துல்லியமாகப் பதிவு செய்ய உதவும்.

பகுப்பாய்விற்காக, ஒவ்வொரு குழிக்கும் சராசரி ஆரத்தின் இருமடியைக் கடந்த நேரத்திற்கு எதிராக வரைபடமிட்டு, சாய்வுகளை ஒப்பிடுங்கள். வரைபடத்துடன் விளிம்பின் வரையறையையும் குறிப்பிடுங்கள். ஆறு வளைவுகளையும் அவற்றின் வேறுபாடுகளுடன் காட்டினால், மாறுபாட்டைச் சங்கடப்பட வேண்டிய ஒன்றாக அல்லாமல் தரவாக மாணவர்கள் காண்பார்கள்.

பாதுகாப்பும் செய்முறையின் ஒரு பகுதிதான்: கையுறைகளையும் கண் பாதுகாப்புக் கருவிகளையும் அணியுங்கள். ஏனெனில் மெத்திலீன் நீலம் தோலிலும் ஆடையிலும் கறை படியச் செய்கிறது; பெர்மாங்கனேட் கறை படியச் செய்வதுடன் எரிச்சலூட்டும் ஆக்சிஜனேற்றியாகவும் உள்ளது. கரைசல்கள் வாயில் செல்லாமல் பார்த்துக்கொள்ளுங்கள்; ஒரு தட்டின் மேல் வேலை செய்யுங்கள்; சோதனைத் தட்டுகளையும் திரவங்களையும் கழுவுதொட்டியில் ஊற்றாமல், பள்ளியின் வேதிக் கழிவு அகற்றும் முறையில் அப்புறப்படுத்துங்கள்.

எழுதிக்கொள்ளத் தகுந்த வாக்கியம்

இந்த அகர், செறிவு, வெப்பநிலை நிலைமைகளில், கண்ணுக்குத் தெரியும் பெர்மாங்கனேட் விரவல் முனை பொதுவாக மெத்திலீன் நீலத்தின் விரவல் முனையைவிட வேகமாகப் பரவுகிறது. இது பெர்மாங்கனேட்டின் பயனுறு விரவுதிறன் அதிகமாக இருப்பதுடன் ஒத்துப்போகிறது. இதற்கு முக்கியக் காரணம், அதன் நீரேற்றப்பட்ட அயனி மிகவும் சிறியதாக இருப்பதும், மெத்திலீன் நீலத்தைப் போலத் திரள்களை உருவாக்கவோ அகருடன் பிணையவோ செய்யாததும் ஆகும். இங்கு மூலக்கூறு நிறை அந்த அளவு வேறுபாட்டுடன் தொடர்புடையதாக உள்ளது; ஆனால் திரவங்களிலோ ஜெல்களிலோ விரவல் வேகங்களை நிறை மட்டும் நிர்ணயிப்பதில்லை.

அந்த வாக்கியத்தை எழுதிக்கொள்ளும் மாணவர்கள் இரண்டு விஷயங்களைக் கற்றிருக்கிறார்கள்: இரண்டு வண்ணமயமான அயனிகளைப் பற்றிய ஒரு உண்மை; ஒரு செயல்விளக்கம் சொல்வதாகத் தோன்றுவதை நம்புவதற்கு முன், அது எதை அளவிடுகிறது என்று கேட்கும் பழக்கம்.