మిథిలీన్ బ్లూ, పర్మాంగనేట్ విసరణ: అగార్ ప్రయోగం ఏమి చూపిస్తుంది

ఒక ఉపాధ్యాయుడు అగార్ ప్లేట్‌లో రెండు గుంటలను చేసి, ఒకదానిలో నీలి రంగు పదార్థాన్ని, మరొకదానిలో ఊదా రంగు ద్రావణాన్ని నింపి, గమనించమని తరగతికి చెబుతాడు. ఒక గంట తర్వాత ఊదా రంగు వలయం మరింత వెడల్పుగా ఉంటుంది. పొటాషియం పర్మాంగనేట్ తేలికగా ఉండటం వల్ల మిథిలీన్ బ్లూ కంటే వేగంగా విసరిస్తుందని విద్యార్థులు రాసుకుంటారు.

ఆ వాక్యం సగం సరైనది, సగం తప్పుదారి పట్టించేది; ఆసక్తికరమైనది ఆ తప్పుదారి పట్టించే భాగమే. ఈ ప్రదర్శన విసరణను బోధించే సాధారణ పాఠం; ఉదాహరణకు, ఈ అగార్ విసరణ ప్రయోగశాల అభ్యాసంలో దీనిని వివరించారు. కానీ విద్యార్థులు చూస్తున్నది అణు భారం ప్రభావాన్ని కాదు. జెల్‌లో కనిపించే రంగు అంచు కదలికను చూస్తున్నారు; అయాన్ పరిమాణం, జలయోజనం, రంగు పదార్థం బంధనం, గాఢత, ఉష్ణోగ్రత, అంచును కొలిచే విధానం ఆ కదలికను ప్రభావితం చేస్తాయి.

రంగు అంచు విసరణ గుణకం కాదు

విసరణ అంటే కరిగిన కణాలు అధిక గాఢత ఉన్న ప్రాంతం నుంచి తక్కువ గాఢత ఉన్న ప్రాంతానికి వ్యాపించడం. సాధారణంగా D అని సూచించే విసరణ గుణకం, ఒక నిర్దిష్ట ఉష్ణోగ్రత వద్ద ఒక నిర్దిష్ట మాధ్యమంలో ఒక ద్రావితం ఎంత వేగంగా వ్యాపిస్తుందో వివరిస్తుంది.

తరగతి గదిలోని ప్లేట్ Dను నేరుగా చూపించదు. రంగు కనిపించనంత పలుచబడే సరిహద్దును చూపిస్తుంది. ఆ సరిహద్దు విసరణపైనే కాకుండా రంగు పదార్థపు కాంతి శోషణ సామర్థ్యం, వెలుతురు, కెమెరా ఎక్స్‌పోజర్, గుంటలో పోసిన ద్రావణపు గాఢత, కొలబద్ద పట్టుకున్న వ్యక్తి నిర్ణయంపై కూడా ఆధారపడి ఉంటుంది.

తరగతిలో తీసుకునే కొలతను అది నిజంగా ఏమిటో అలాగే పిలవండి: కనిపించే విసరణ ముందంచు కదలిక. శాస్త్రీయ విశ్లేషణలు ఫిక్ నియమాల ఆధారిత విసరణ విశ్లేషణలో ఉన్న తరహా సంబంధాల ద్వారా సగటు వర్గ స్థానాంతరాన్ని Dతో అనుసంధానిస్తాయి. కానీ Dను గణించడానికి కాలంతో పాటు గాఢత పంపిణీలు అవసరం; తరగతి చివరలో ఒక వ్యాసాన్ని కొలవడం సరిపోదు. ప్రచురితమైన ఒక తరగతి గది అధ్యయనం తుది రంగు మచ్చల పరిమాణాలను పోల్చడానికి బదులుగా, దూరం వర్గాన్ని కాలానికి ఎదురుగా గ్రాఫ్‌లో చూపించి, జెల్‌లో మిథిలీన్ బ్లూ విసరణ గుణకం సుమారు 4.5 రెట్లు 10^-10 m^2/sగా పొందింది. ఒకే క్షణంలో తీసిన చిత్రం ఆ పని చేయలేదు.

ఈ ప్రదర్శన వెనుక ఉన్న భావన ఇదే; మిగతావన్నీ ప్లేట్ ఆ భావనను ఎంత విశ్వసనీయంగా ప్రతిబింబిస్తుందనే వివరాలు.

రెండు రంగు అయాన్లు, రెండు అణువులు కాదు

సీసాపై ముద్రించిన సూత్ర రూపంలో ఈ రెండు ద్రావితాల్లో ఏదీ అగార్‌లో ప్రయాణించదు. రెండూ నీటిలో అయాన్లుగా విడిపోయే బలమైన విద్యుద్విశ్లేష్యాలు.

పొటాషియం పర్మాంగనేట్ (KMnO4, సూత్ర భారం సుమారు 158.03 g/mol) పొటాషియం అయాన్లుగా, పర్మాంగనేట్ అయాన్లుగా విడిపోతుంది. ఊదా రంగుతో ప్రయాణించేది పర్మాంగనేట్ అయాన్ MnO4^-, దాని భారం సుమారు 118.94 g/mol; దాని చుట్టూ నీటి పొర ఉంటుంది. మిథిలీన్ బ్లూ క్లోరైడ్ (నిర్జల లవణం C16H18ClN3S, సుమారు 319.85 g/mol) క్లోరైడ్‌గా, నీలి రంగు సేంద్రీయ ధనాయాన్ MB^+గా విడిపోతుంది. ఈ ధనాయాన్ భారం సుమారు 284.41 g/mol; ఇది కూడా జలయోజనం చెంది ఉంటుంది. NIST మిథిలీన్ బ్లూ రికార్డు, ChEBI మిథిలీన్ బ్లూ నమోదు ఈ రూపాలను నమోదు చేస్తాయి. ధనాయాన్, నిర్జల లవణం, జలయోజిత రూపాలకు వేర్వేరు పేర్లు ఎందుకు అవసరమో రసాయన శాస్త్రం, నిర్మాణం గురించిన సమాచారం వివరిస్తుంది.

దీని నుంచి మూడు అంశాలు స్పష్టమవుతాయి.

మొదటిది, 158ను 320తో పోల్చడం రంగు అయాన్ల మధ్య నిజమైన పరిమాణ వ్యత్యాసాన్ని తక్కువగా చూపిస్తుంది. ఎందుకంటే సుమారు 119 g/mol భారం ఉన్న ఊదా రంగు అయాన్, సుమారు 284 g/mol భారం ఉన్న నీలి ధనాయాన్ కంటే చాలా చిన్నది. రెండింటికీ జలయోజన పొరలు ఉండటం వల్ల వాటి ప్రభావిత పరిమాణం పెరుగుతుంది.

రెండవది, మిథిలీన్ బ్లూ ధనాయాన్లు పదార్థాలకు అంటుకుంటాయి. గాఢత పెరిగే కొద్దీ అవి ద్వితయాలు, పెద్ద సమూహాలను ఏర్పరుస్తాయి; అగార్ ఉపరితలంపై అధిశోషణ చెందుతాయి. అగార్ అధిశోషణ అధ్యయనాల్లో ఏకకాలు, ద్వితయాలు రెండూ బంధించబడినట్లు నివేదించారు. అధిశోషణ చెందిన రంగు పదార్థం కదలకుండా ఉంటుంది. ముందంచును ముందుకు కదిలించకుండానే అది జెల్‌కు రంగును ఇస్తుంది.

మూడవది, సాధారణంగా ఉపయోగించే రసాయన కారకపు పొడి జలయోజిత రూపంలో ఉంటుంది; అందువల్ల తూచిన ఒక గ్రాములో స్ఫటికంలో భాగమైన నీరు కూడా ఉంటుంది. అది మోలారిటీని ఎలా మారుస్తుందో ట్రైహైడ్రేట్, నిర్జల రూపాల పోలిక చూపిస్తుంది. తరగతిలో సమాన పరిస్థితుల్లో పోల్చడానికి, లవణాల సమాన మోలార్ గాఢతలతో ద్రావణాలను తయారుచేసి, ఏ ఘన రూపాన్ని ఉపయోగించారో నమోదు చేయండి.

ఇక్కడ తేలికగా ఉండటం అంటే వేగంగా ఉండటం ఎందుకు కాదు

పలుచని ద్రవ ద్రావణాల్లో, భారం కంటే మెరుగైన ప్రాథమిక నమూనా స్టోక్స్–ఐన్‌స్టీన్ వివరణ. దీని ప్రకారం విసరణ గుణకం ఉష్ణోగ్రతకు అనులోమంగానూ, స్నిగ్ధతకు, హైడ్రోడైనమిక్ వ్యాసార్థానికి విలోమంగానూ మారుతుంది. జలయోజనం చెందిన పరిమాణం చిన్నదిగా ఉంటే వేగంగా విసరిస్తుంది. ఒకే రసాయన కుటుంబంలో తక్కువ భారం తరచుగా చిన్న పరిమాణంతో సంబంధం కలిగి ఉంటుంది; అందువల్ల తేలికగా ఉండటమే వివరణలా అనిపించవచ్చు. అది పరస్పర సంబంధం మాత్రమే, ప్రక్రియకు కారణం కాదు.

వాయువుల సూక్ష్మరంధ్ర నిష్క్రమణ రేట్లు మోలార్ భారం వర్గమూలానికి విలోమంగా ఉంటాయని చెప్పే గ్రాహం నియమం ఈ ప్లేట్‌కు వర్తించదు. దాని ఉత్పాదన వాయువుల గతిజ సిద్ధాంతానికి చెందుతుంది; ఈ వాయువుల సూక్ష్మరంధ్ర నిష్క్రమణ, విసరణపై OpenStax వివరణ దానిని సంగ్రహిస్తుంది. ద్రవాల్లో స్నిగ్ధత వల్ల నిరోధం, జలయోజనం, ఆకార ప్రభావాలు, కణాల రద్దీ కూడా ఉంటాయి. జెల్‌లలో రంధ్రాల నిర్మాణం, వంకర తిరిగిన మార్గాలు, అధిశోషణ, పాలిమర్‌తో విద్యుదావేశ పరస్పర చర్యలు కూడా ఉంటాయి.

సంఖ్యలు ఈ వ్యత్యాసాన్ని స్పష్టం చేస్తాయి. 158, 320లకు గ్రాహం నియమాన్ని వర్తింపజేస్తే రేట్ల నిష్పత్తి సుమారు 1.42గా వస్తుంది. పలుచని జల ద్రావణాల్లో కొలిచిన విసరణ గుణకాలు వేరే విషయాన్ని చెబుతాయి: పర్మాంగనేట్‌కు సుమారు 1.6 నుంచి 1.8 రెట్లు 10^-9 m^2/s, మిథిలీన్ బ్లూకు సుమారు 4.5 నుంచి 5 రెట్లు 10^-10 m^2/s; వీటి నిష్పత్తి 3 లేదా 4కు దగ్గరగా ఉంటుంది. భారం ఒక్కటే ఆ నిష్పత్తిని ఇవ్వలేదు. జలయోజిత పరిమాణం, సమూహాలుగా ఏర్పడటం, జెల్‌తో బంధనం మిగిలిన వ్యత్యాసానికి కారణమవుతాయి.

తేలికైనది వేగంగా విసరిస్తుందనే భావనను కొన్ని ఊహలపై ఆధారపడిన నమూనాగా చూడండి: గోళాకార కణాలు, బంధనం లేకపోవడం, సమూహాలుగా ఏర్పడకపోవడం, ఒకే పరిస్థితులు. ఈ ప్లేట్ కనీసం వాటిలో రెండింటిని ఉల్లంఘిస్తుంది.

సమాన పరిస్థితుల్లో పోలికను ఎలా నిర్వహించాలి

సాఫ్ట్‌వేర్ విఫలమయ్యే విధంగానే ఈ ప్రదర్శన కూడా విఫలమవుతుంది: ప్రాథమిక భావన సరైనదే, కానీ భావనను కొలతగా మార్చే ప్రక్రియలో ఎన్నో చిక్కులు ఉంటాయి. వీటిలో ప్రతి ఒక్కటి ఏ అణు లక్షణాన్నీ మార్చకుండానే ఫలితాన్ని మారుస్తుంది.

ఒకే బ్యాచ్ అగార్‌ను ఒకే లోతుకు పోసి, ఒకే గుంట కట్టర్‌ను, సమాన ద్రవ పరిమాణాలను, సమాన మోలార్ గాఢతలను ఉపయోగించండి. మిథిలీన్ బ్లూ సమూహాలుగా ఏర్పడటాన్ని పరిమితం చేయడానికి, రంగు సంతృప్తి చెందకుండా ఉంచడానికి గాఢతలు తగినంత తక్కువగా ఉండాలి. ప్రతి ద్రావితానికి కనీసం మూడు పునరావృత గుంటలు చేసి, ముందంచులు ఎప్పుడూ కలవకుండా వాటి మధ్య దూరం ఉంచండి. పాత్రలకు మూత పెట్టి, వాటిని సమతలంగా ఉంచి, ఉష్ణోగ్రతను స్థిరంగా ఉంచండి. ఎందుకంటే అగార్‌లో రంగు పదార్థాల ప్రవర్తనకు బలమైన ఉష్ణోగ్రత, గాఢత ఆధారితత్వం ఉన్నట్లు అధ్యయనాలు చూపిస్తున్నాయి. నింపిన క్షణాన్ని ప్రారంభ సమయంగా నిర్వచించండి; కొలిచే ముందే అంచును ఎలా నిర్ణయించాలో నిర్వచించండి. కంటితో అంచనా వేసిన సరిహద్దు కంటే ఛాయాచిత్రంలో స్థిరమైన గుర్తింపు పరిమితిని ఉపయోగించడం మెరుగైనది, ఎందుకంటే నీలం, ఊదా రంగులను కంటితో గుర్తించగల పరిమితులు వేర్వేరుగా ఉంటాయి. ప్రతి మచ్చకు పరస్పరం లంబంగా ఉన్న రెండు వ్యాసాలను నమోదు చేసి, సగటు వ్యాసార్థంగా మార్చండి. వ్యాసార్థాన్ని వ్యాసంతో గందరగోళం చేస్తే దూరం వర్గపు గ్రాఫ్‌లో నాలుగు రెట్ల పొరపాటు వస్తుంది.

లేబుళ్లు: ఎడమ ప్యానెల్ ప్రతి ముందంచుకు గుంట అంచు నుంచి రంగు అంచు వరకు పై నుంచి కొలిచిన వ్యాసార్థాన్ని చూపిస్తుంది; కుడి ప్యానెల్ గుంట లోతు, బయటికి విస్తరించే గాఢత ప్రవణత వలయాలతో అగార్ అడ్డుకోతను చూపిస్తుంది; సూచిక నియంత్రిత చరరాశులను జాబితా చేస్తుంది (అగార్ శాతం, మందం, రంగు పదార్థపు మోలారిటీ, పరిమాణం, గుంట పరిమాణం, ఉష్ణోగ్రత, ప్రారంభ సమయం, వెలుతురు).

విసరణలా కనిపించే ఇతర ప్రభావాలను గమనించండి. అగార్ ఉపరితలంపై ద్రవం చిందటం వేగమైన విసరణలా కనిపిస్తుంది; చిన్న అగార్ గుంటల్లో ఇది ప్రయోగపరమైన కృత్రిమ ప్రభావంగా నమోదైంది. పర్మాంగనేట్ ఒక బలమైన ఆక్సీకరణి; సూక్ష్మ పరిమాణాల్లోని సేంద్రీయ పదార్థంతో చర్య జరిపి ఖర్చవుతుంది. దాంతో దాని ముందంచు ఆగిపోవచ్చు లేదా రంగు పోవచ్చు. మిథిలీన్ బ్లూ ఆక్సీకరణ–క్షయకరణ చర్యల్లో పాల్గొంటుంది; వెలుతురు లేదా క్షయకరణ పరిస్థితుల్లో రంగు తగ్గవచ్చు. మిథిలీన్ బ్లూ, దాని రంగులేని క్షయకృత రూపం యొక్క ఆక్సీకరణ–క్షయకరణ రసాయన శాస్త్రం ఆ ప్రవర్తనను వివరిస్తుంది.

ద్రావకంపై ఒక చిన్న గమనిక: ప్రామాణిక ప్రదర్శనలో రెండు గుంటల్లోనూ జల ద్రావణాలే ఉంటాయి. ఏదైనా విధానంలో ద్రావకాన్ని మార్చితే, ముందుగా ద్రావణీయత, ద్రావణ తయారీ మార్గదర్శకాన్ని చూడండి. ఎందుకంటే మాధ్యమాన్ని బట్టి ద్రావణీయత, సమూహాలుగా ఏర్పడటం మారుతాయి.

తరగతి గది పరిశీలనల కార్యపత్రం

ఈ పట్టికను నోట్‌బుక్‌లలోకి కాపీ చేయండి లేదా ప్రతి గుంటకు ఒక వరుసను ముద్రించండి. ప్రతి పాత్రకు ఒక పట్టిక ఉంచడం వల్ల పునరావృత పరీక్షల వివరాలు సరిగ్గా నమోదవుతాయి.

విశ్లేషణ కోసం, ప్రతి గుంటకు సగటు వ్యాసార్థం వర్గాన్ని గడిచిన సమయానికి ఎదురుగా గ్రాఫ్‌లో చూపించి, వాలులను పోల్చండి. గ్రాఫ్ పక్కనే అంచును ఎలా నిర్వచించారో పేర్కొనండి. మొత్తం ఆరు వక్రరేఖలను వాటి మధ్య వ్యత్యాసంతో సహా చూపిస్తే, విద్యార్థులు ఆ వైవిధ్యాన్ని ఇబ్బందికరమైనదిగా కాకుండా డేటాగా చూస్తారు.

భద్రత కూడా ప్రయోగ విధానంలో భాగమే: చేతి తొడుగులు, కంటి రక్షణ పరికరాలు ధరించండి. ఎందుకంటే మిథిలీన్ బ్లూ చర్మం, దుస్తులపై మరకలు వేస్తుంది; పర్మాంగనేట్ మరకలు వేసే, చికాకు కలిగించే ఆక్సీకరణి. ద్రావణాలు నోటిలోకి వెళ్లనివ్వకండి, ట్రే పైన పని చేయండి. ప్లేట్లు, ద్రవాలను సింక్‌లో పోయకుండా పాఠశాల రసాయన వ్యర్థాల నిర్వహణ విధానం ద్వారా పారవేయండి.

రాసుకోదగిన వాక్యం

ఈ అగార్, గాఢత, ఉష్ణోగ్రత పరిస్థితుల్లో, కనిపించే పర్మాంగనేట్ ముందంచు సాధారణంగా మిథిలీన్ బ్లూ ముందంచు కంటే వేగంగా వ్యాపిస్తుంది. ఇది పర్మాంగనేట్ ప్రభావిత విసరణ గుణకం ఎక్కువగా ఉండటానికి అనుగుణంగా ఉంది. ప్రధాన కారణం దాని జలయోజిత అయాన్ చాలా చిన్నదిగా ఉండటం, మిథిలీన్ బ్లూలా సమూహాలుగా ఏర్పడకపోవడం లేదా అగార్‌తో బంధించబడకపోవడం. ఇక్కడ అణు భారం ఆ పరిమాణ వ్యత్యాసంతో సంబంధం కలిగి ఉంది; కానీ ద్రవాలు లేదా జెల్‌లలో విసరణ రేట్లను భారం ఒక్కటే నిర్ణయించదు.

ఆ వాక్యాన్ని రాసుకున్న విద్యార్థులు రెండు విషయాలు నేర్చుకున్నట్లే: రెండు రంగురంగుల అయాన్ల గురించి ఒక వాస్తవం, ఒక ప్రదర్శన చెప్పినట్లు అనిపించే విషయాన్ని నమ్మే ముందు అది ఏమి కొలుస్తుందో ప్రశ్నించే అలవాటు.