నీలి సీసా ప్రయోగం: రసాయన శాస్త్రం, విధానం మరియు పరిశీలనలు

బెంచ్‌పై ఒక పారదర్శక సీసా ఉంటుంది. అది నీటిలా కనిపిస్తుంది. ఎవరైనా దాన్ని కదిపితే, ద్రవం స్పష్టమైన నీలి రంగులోకి మారుతుంది. దాన్ని కింద ఉంచితే, ఒకటి లేదా రెండు నిమిషాల్లో నీలి రంగు మాయమవుతుంది. మళ్లీ కదిపితే నీలి రంగు తిరిగి వస్తుంది. ఒక్కసారి నింపిన ద్రావణంతో ఈ ప్రక్రియను ఇరవై సార్లు లేదా అంతకంటే ఎక్కువసార్లు పునరావృతం చేయవచ్చు.

సాధారణంగా విద్యార్థులు సీసాలో ఏదో దాగి ఉందని, లేదా కదపడం వల్ల రెండు పొరలు కలుస్తున్నాయని ఊహిస్తారు. ఈ రెండు ఊహలూ బోధనాత్మకంగా తప్పని తేలుతాయి. రంగు మొత్తం ద్రావణంలో ఉన్న ఒకే రంగుద్రవ్యం, methylene blue, వల్ల వస్తుంది. మారేది ఆ రంగుద్రవ్యం ఎన్ని ఎలక్ట్రాన్లను కలిగి ఉందన్నది. ఈ ప్రదర్శన కంటికి కనిపించే రెడాక్స్ చక్రం; తరగతిలో కనిపించే ప్రతి చరరాశి—కదిపే సమయం, ఉష్ణోగ్రత, సాంద్రత—రసాయన శాస్త్రంలోని ఒక అంశానికి అనుసంధానమవుతుంది.

అదే రంగుద్రవ్యం యొక్క రెండు రూపాలు

ఆక్సీకృత methylene blue సమతలంగా ఉండే, ధన విద్యుదావేశం కలిగిన వలయ వ్యవస్థ. ఇది 600 to 700 nanometres పరిధిలో కాంతిని బలంగా శోషిస్తుంది; మన కంటికి అది గాఢ నీలంగా కనిపిస్తుంది. ఈ రెండు రూపాలు మరియు వాటి స్పెక్ట్రాల గురించి methylene blue నిర్మాణం మరియు లక్షణాల మార్గదర్శకంలో వివరించబడింది.

రిడక్షన్ రెండు ఎలక్ట్రాన్లు మరియు ఒక ప్రోటాన్‌ను జోడించి leucomethylene blue‌ను ఏర్పరుస్తుంది: విద్యుదావేశం లేని, సమతలంకాని, ప్రభావవంతంగా రంగులేని రూపం. క్షార ద్రావణంలో అర్ధ-ప్రతిచర్య MB+ + H2O + 2 e- ⇌ LMB + OH-. ఈ దశ పూర్తిగా తిరోగమ్యమైనది. నీలం అంటే ఆక్సీకృత రూపం, రంగులేనిది అంటే రిడ్యూస్ అయిన రూపం; అనుసరించాల్సిన మూడో స్థితి లేదు. అందుకే రెడాక్స్ రసాయన శాస్త్రాన్ని మొదటిసారి పరిచయం చేయడానికి ఇది స్పష్టమైన ఉదాహరణ.

చక్రం: glucose రిడ్యూస్ చేస్తుంది, oxygen మళ్లీ ఆక్సీకరిస్తుంది

సీసాలో పనిచేసే మూడు పదార్థాలు ఉంటాయి: methylene blue, glucose మరియు బలమైన క్షారం—potassium లేదా sodium hydroxide. క్షారం glucose‌ను ఎలక్ట్రాన్లను రంగుద్రవ్యానికి దానం చేసే ప్రతిచర్యాశీల డీప్రోటోనేటెడ్ రూపాల్లోకి మారేందుకు సహాయపడుతుంది:

రిడ్యూసింగ్ చక్కెర + MB (నీలం, ఆక్సీకృతం) -> ఆక్సీకృత చక్కెర ఉత్పత్తులు + LMB (రంగులేనిది)

సీసా నిలబెట్టినప్పుడు ఈ నెమ్మదైన దశ రంగును తొలగిస్తుంది. Glucose త్యాగ ఎలక్ట్రాన్ దాతగా పనిచేసి వినియోగించబడుతుంది. రంగుద్రవ్యం కేవలం ఎలక్ట్రాన్లను రవాణా చేస్తుంది, కాబట్టి కొన్ని చుక్కలు మొత్తం సీసాకు సరిపోతాయి. పాత తరగతి గది వివరణల్లో glucose gluconic acid‌గా మారుతుందని చెబుతారు. ఆ సంక్షిప్త వివరణ పరిశీలనలను అంచనా వేయడానికి సరిపోతుంది, కానీ అది అసంపూర్ణమని బోధకులు తెలుసుకోవాలి: Royal Society Open Science‌లో ప్రచురితమైన యాంత్రిక విశ్లేషణ ఆక్సీకరణను ప్రతిచర్యాశీల enediolate ద్వారా, చిన్న ఆమ్లాలుగా విడిపోయే dicarbonyl వరకు అనుసరిస్తుంది.

కదపడం కనిపించే ఫలితాన్ని తిరగదోస్తుంది. కదలిక వల్ల మూసుకుపోయిన పైభాగంలోని గాలిలోని oxygen ద్రవంలో కరుగుతుంది, మరియు oxygen రిడ్యూస్ అయిన రంగుద్రవ్యాన్ని మళ్లీ ఆక్సీకరిస్తుంది:

LMB (రంగులేనిది) + O2 -> MB (నీలం) + రిడ్యూస్ అయిన oxygen ఉత్పత్తులు

నిలబెట్టినప్పుడు కరిగిన oxygen అయిపోతుంది, glucose రంగుద్రవ్యాన్ని మళ్లీ రిడ్యూస్ చేస్తుంది, రంగు మసకబారుతుంది. అనేక చక్రాల తర్వాత మొత్తం రసాయన మార్పు గాలిచేత చక్కెర ఆక్సీకరణ; రంగుద్రవ్యం మాత్రం రెడాక్స్ మధ్యవర్తిగా మార్పులేకుండా చక్రంలో తిరుగుతుంది. ఇది ఖచ్చితమైన catalyst కంటే mediator‌గా పరిగణించడం సరైనది, ఎందుకంటే చక్కెర ఆక్సీకరణ ఇది లేకుండానే జరుగుతుంది. అలాగే రంగు మసకబారడం decomposition కాదు: రంగుద్రవ్యం నాశనమై ఉంటే కదపడం ద్వారా మళ్లీ నీలంగా మార్చలేము. ప్రదర్శనల మధ్య రంగుద్రవ్యం నిల్వ ద్రావణాలను స్థిరంగా ఉంచేందుకు methylene blue ద్రావణాల నిర్వహణ మరియు నిల్వపై గమనికలు చూడండి.

పర్యవేక్షిత ప్రదర్శన కోసం విధానం

ఇది పర్యవేక్షణలో చేయాల్సిన ప్రదర్శన, ఇంట్లో చేసే కార్యకలాపం కాదు. క్షారంతో పని చేసేటప్పుడు కంటి రక్షణ, గ్లోవ్స్ మరియు తయారీ నుంచి శుభ్రపరిచే దశ వరకు బాధ్యత వహించే బోధకుడు అవసరం. పత్రబద్ధమైన రెండు విధానాలు నిర్మాణంలో ఒకేలా ఉండి పరిమాణంలో భిన్నంగా ఉంటాయి.

Indiana University chemistry department ప్రచురించిన ప్రదర్శనకు సంబంధించిన సూచన పత్రం సుమారు 5 percent potassium hydroxide, 4 percent glucose మరియు 1 percent నీటి methylene blue ద్రావణాన్ని ఉపయోగిస్తుంది. పారదర్శక 250 లేదా 500 millilitre సీసాలో సమాన పరిమాణాల క్షార మరియు glucose ద్రావణాలను పోసి సగం వరకు నింపాలి; మిగిలిన భాగాన్ని గాలి ఖాళీగా ఉంచాలి. కొన్ని చుక్కల రంగుద్రవ్యం వేసి, మూత పెట్టి, కలయిక భాగాన్ని సీల్ చేసి, నీలి రంగు పోయే వరకు నిలబెట్టాలి. Royal Society of Chemistry విధానం ఇదే ఆలోచనను 1 litre మూతగల ఫ్లాస్క్‌కు విస్తరిస్తుంది: 300 millilitres నీరు, 10 grams glucose, 8 grams potassium hydroxide (లేదా 6 grams sodium hydroxide), అలాగే కొన్ని millilitres పలుచన చేసిన రంగుద్రవ్యం నిల్వ ద్రావణం.

ప్రదర్శన కోసం బలంగా కదపాలి. కొన్ని సెకన్లలో పూర్తి నీలి రంగు ఏర్పడుతుంది. ఫ్లాస్క్‌ను కింద ఉంచి రంగు మసకబారడానికి పట్టే సమయాన్ని కొలవాలి. Royal Society of Chemistry ప్రకారం ఒక్కసారి నింపిన ద్రావణంతో ఇరవైకి పైగా చక్రాలు సాధ్యమవుతాయి. సీసాను ఎప్పుడూ అంచువరకు నింపవద్దు: లోపల బంధించబడిన గాలి లేకపోతే కరగడానికి oxygen నిల్వ ఉండదు.

ఏమి పరిశీలించాలి, సమయాన్ని ఏమి మారుస్తుంది

మూడు విషయాలకు సమయం కొలవండి: పూర్తిగా నీలంగా మారే వరకు కదిపే సమయం (seconds), రంగులేనిదిగా మారే వరకు నిలబెట్టే సమయం (up to a few minutes), నీలి రంగు బలహీనపడే ముందు జరిగే చక్రాల సంఖ్య. ప్రతి మసకబారే దశ చివర్లో ఉపరితలాన్ని గమనించండి. గాలితో ద్రవం కలిసే సరిహద్దులో పలుచని నీలి పొర తరచుగా కొంతసేపు నిలుస్తుంది, ఎందుకంటే అక్కడ oxygen నిరంతరం లోపలికి వ్యాపిస్తుంది. ఆ గీత diffusion‌ను కంటికి కనిపించేలా చేస్తుంది.

నీలి సీసా ప్రతిచర్య Royal Society of Chemistry విధానంతో నివేదించిన అనుభవాధారిత rate law‌ను అనుసరిస్తుంది: rate = k[MB oxidised][glucose]OH-. ప్రతి పదం ఒక తరగతి గది ప్రయోగంగా మారవచ్చు. ఎక్కువ glucose, క్షారం లేదా రంగుద్రవ్యం నీలి దశ వ్యవధిని తగ్గిస్తుంది. వేడి రంగు మసకబారడాన్ని వేగవంతం చేస్తుంది; చల్లని ఫ్లాస్క్ నెమ్మదిగా స్పందిస్తుంది. బలంగా కదిపితే ఎక్కువ oxygen కరుగుతుంది, అందువల్ల నీలి రంగు ఎక్కువసేపు ఉంటుంది. పెద్ద గాలి ఖాళీ ప్రయోగాన్ని ఎక్కువసేపు కొనసాగిస్తుంది. చివరికి చక్రాలు బలహీనపడి ద్రవం పసుపు రంగులోకి మారినప్పుడు, చక్కెర ఖర్చైపోయి ఉప ఉత్పత్తులు పేరుకుపోయినట్లు అర్థం. ఆ చివరి స్థితి కూడా నమోదు చేయదగిన ఫలితమే.

పరిశీలన వర్క్‌షీట్

ఈ పట్టికను నోట్‌బుక్‌లలో కాపీ చేయండి, ప్రతి trial‌కు ఒక row. ఈ వర్క్‌షీట్ మరియు పై ప్రతిచర్య చిత్రం ఈ వ్యాసానికి ముద్రించదగిన వనరులు.

ప్రతి trial‌కు ముందు సమాధానం ఇవ్వాల్సిన అంచనా ప్రశ్నలు:

• కదిపిన వెంటనే సీసా నీలంగా ఉంటుంది. ఏ రంగుద్రవ్యం రూపం ప్రధానంగా ఉంటుంది, దాన్ని ఆ స్థితికి తీసుకువచ్చింది ఏమిటి?
• సీసాను నిలబెడితే రంగు మసకబారుతుంది. ఏ ప్రతిచర్య ఆధిపత్యం సాధిస్తోంది, ఏ పదార్థం వినియోగించబడుతోంది?
• అనేక చక్రాల తర్వాత నీలి రంగు పలుచగా, పసుపు ఛాయతో మారుతుంది. దాన్ని dye, alkali, లేదా glucose‌లో దేనితో పునరుద్ధరించాలి, ఎందుకు?
• ఒక చక్రానికి colour against time గ్రాఫ్ గీయండి. oxygen ద్రావణంలోకి ఎక్కడ ప్రవేశిస్తుందో గుర్తించండి.

బోధకుని సమాధానాలు: (1) ఆక్సీకృత methylene blue, పైభాగ గాలినుంచి కరిగిన oxygen చేత మళ్లీ ఆక్సీకరించబడింది; (2) glucose చేత రిడక్షన్, glucose వినియోగించబడుతుంది; (3) glucose, పరిమిత దాత, ఎందుకంటే రంగుద్రవ్యం మార్పులేకుండా చక్రంలో తిరుగుతుంది; (4) కదిపినప్పుడు వేగంగా పెరుగుదల, నిలబెట్టినప్పుడు క్రమంగా తగ్గుదల, పెరుగుదల సమయంలో మాత్రమే oxygen ప్రవేశం.

పేరుతో గుర్తుంచుకోవాల్సిన సమీప సంబంధిత ప్రదర్శనలు

traffic light ప్రదర్శనలో indigo carmine‌ను ఉపయోగించి oxygenation‌తో yellow, red మరియు green దశల గుండా మార్పు చూపిస్తారు. green bottle అనే పేరు సడలింపుగా ఉపయోగిస్తారు: కొన్నిసార్లు ఆ రూపాంతరానికి, మరికొన్నిసార్లు ascorbic acid వ్యవస్థల వంటి మరింత ఆకుపచ్చ formulations‌కు లేదా American Chemical Society వివరించిన enzymatic cycling systemకు. బెంచ్‌పై ఉన్నది ఏ variant అయితే దానికి అదే పేరు ఉపయోగించండి, తద్వారా విద్యార్థులు వేర్వేరు రసాయన వ్యవస్థల పరిశీలనలను కలిపివేయరు.

భద్రత మరియు నిర్వహణ

మొత్తం ప్రక్రియలో పర్యవేక్షణ అవసరం. క్షార ద్రావణాన్ని నిర్వహించేటప్పుడు లేదా మూతగల పాత్రను కదిపేటప్పుడు రసాయన చిమ్మురుల నుంచి కంటి రక్షణ మరియు గ్లోవ్స్ ఉపయోగించాలి. క్షారం కాల్చే గాయాలు కలిగించగలదు, రంగుద్రవ్యం చర్మం మరియు వస్త్రాలకు మచ్చలు వేస్తుంది, ethanol‌లో తయారు చేసిన రంగుద్రవ్యం నిల్వ ద్రావణాలు బెంచ్‌పై మండే solvent‌ను కూడా చేరుస్తాయి. కదిపేటప్పుడు పాత్రకు మూత పెట్టి ఉంచాలి. తరువాత, ఉపయోగించిన ద్రావణాలను మీ సంస్థ ప్రయోగశాల నియమాల ప్రకారం నిర్వహించేందుకు నిల్వ చేయాలి. క్షార మరియు రంగుద్రవ్యం కలిగిన వ్యర్థాల అవసరాలు సంస్థలు మరియు అధికార పరిధుల మధ్య మారుతాయి, కాబట్టి మరో మూలం నుంచి విధానాన్ని తీసుకురావడం కాకుండా మీ ప్రయోగశాల అమలు చేసే ప్రక్రియను అనుసరించండి.

రంగు మార్పుల బదులు సంఖ్యాత్మక కొలతలు కావాలంటే, methylene blue పరిమాణాత్మక assays ఈ ప్రదర్శన ముగిసిన చోట నుంచి ముందుకు తీసుకెళ్తాయి.

ఉపాధ్యాయులు ఈ సీసాను ఎందుకు కొనసాగిస్తారు

ఒక ఫ్లాస్క్ నాలుగు భావాలను ఒకేసారి చూపిస్తుంది. Redox ఒక నిర్వచనంగా కాకుండా రంగుగా కనిపిస్తుంది. ఒక mediator, ఒక పదార్థం యొక్క స్వల్ప పరిమాణం మరొక పదార్థం యొక్క పెద్ద పరిమాణంలో జరుగుతున్న మార్పును ఎలా తెలియజేస్తుందో చూపిస్తుంది. Kinetics మరియు thermodynamics మధ్య తేడా కంటికి స్పష్టంగా కనిపిస్తుంది: కదపడం oxygen‌ను అందిస్తున్నంతవరకు oxygen ఆధిపత్యం సాధిస్తుంది; ఆ సరఫరా ఆగినప్పుడు glucose ఆధిపత్యం సాధిస్తుంది. అలాగే రసాయన శాస్త్రంలోని అత్యంత నిశ్శబ్ద ప్రక్రియ అయిన diffusion ఈ మొత్తం ప్రదర్శనకు పునాది, ఎందుకంటే ప్రతి నీలి మెరుపు గాలినుంచి నీటిలోకి oxygen ప్రవేశించడంతో మొదలవుతుంది. విద్యార్థులు stopwatch మరియు పట్టికతో ఇవన్నీ అంచనా వేసి, సమయం కొలిచి, వివరించగలిగే ప్రదర్శన ప్రయోగశాల బెంచ్‌పై తన స్థానం సంపాదించుకుంది.