Диффузияи кабуди метилен ва перманганат: таҷрибаи агар чиро нишон медиҳад

Омӯзгор дар лавҳаи агар ду чуқурча месозад, якеро бо ранги кабуд ва дигареро бо маҳлули бунафш пур мекунад ва аз хонандагон мехоҳад, ки мушоҳида кунанд. Пас аз як соат ҳалқаи бунафш васеътар мешавад. Хонандагон менависанд, ки перманганати калий аз кабуди метилен тезтар диффузия мекунад, зеро сабуктар аст.

Ин ҷумла нисфаш дуруст ва нисфаш гумроҳкунанда аст; маҳз қисми гумроҳкунанда ҷолиб аст. Ин намоиш дарси маъмули диффузия мебошад, ки масалан дар ин машқи лаборатории диффузия дар агар тавсиф шудааст. Аммо он чизе, ки хонандагон мебинанд, таъсири мустақими массаи молекулавӣ нест. Он ҳаракати сарҳади намоёни ранг дар дохили гел аст, ки ба он андозаи ион, гидрататсия, пайвастшавии ранг, консентратсия, ҳарорат ва тарзи чен кардани сарҳад таъсир мерасонанд.

Сарҳади ранг коэффисиенти диффузия нест

Диффузия паҳншавии зарраҳои ҳалшуда аз минтақаи консентратсияи баланд ба минтақаи консентратсияи паст аст. Коэффисиенти диффузия, ки одатан бо D ишора мешавад, суръати ин паҳншавиро барои моддаи муайяни ҳалшуда дар муҳити муайян ва дар ҳарорати муайян тавсиф мекунад.

Лавҳаи дарсӣ D-ро мустақиман нишон намедиҳад. Он сарҳадеро нишон медиҳад, ки дар он ранг барои дида шудан хеле камранг мегардад. Ин сарҳад на танҳо ба худи диффузия, балки ба қобилияти ҷаббиши рӯшноӣ аз ҷониби ранг, рӯшноӣ, экспозитсияи камера, консентратсияи ба чуқурча рехташуда ва баҳодиҳии шахсе, ки хаткашакро нигоҳ медорад, вобаста аст.

Натиҷаи ченкунии дарсиро бо номи воқеиаш ном баред: ҳаракати фронти намоёни диффузия. Тавсифҳои назариявӣ миёнаи квадрати ҷойивазкуниро бо D тавассути муносибатҳое мепайванданд, ки дар таҳлили диффузияи Фикӣ оварда шудаанд. Аммо муайян кардани D бо мувофиқсозии маълумот профилҳои консентратсияро дар тӯли вақт талаб мекунад, на танҳо як диаметр дар охири дарс. Як таҳқиқоти нашршудаи дарсӣ коэффисиенти диффузияи кабуди метиленро дар гел тақрибан 4.5 зарби 10^-10 m^2/s муайян кард: барои ин квадрати масофаро вобаста ба вақт ба график гузоштанд, на ин ки танҳо андозаҳои ниҳоии доғҳоро муқоиса кунанд. Як акси лаҳзавӣ ин корро карда наметавонад.

Ин мафҳуми асосии намоиш аст; ҳама чизи дигар ҷузъиёти он аст, ки лавҳа ин мафҳумро то чӣ андоза дақиқ инъикос мекунад.

Ду иони ранга, на ду молекула

Ҳеҷ кадоме аз ин моддаҳои ҳалшуда дар агар дар шакли формулаи рӯйи шиша ҳаракат намекунад. Ҳар ду электролитҳои қавӣ мебошанд, ки дар об диссотсиатсия мешаванд.

Перманганати калий (KMnO4, массаи формулӣ тақрибан 158.03 g/mol) ба ионҳои калий ва ионҳои перманганат ҷудо мешавад. Зарраи бунафши ҳаракаткунанда иони перманганати MnO4^- бо массаи тақрибан 118.94 g/mol аст, ки онро қабати об иҳота мекунад. Хлориди кабуди метилен (намаки беоби C16H18ClN3S, тақрибан 319.85 g/mol) ба хлорид ва катиони органикии кабуди MB^+ бо массаи тақрибан 284.41 g/mol ҷудо мешавад; ин катион низ гидрататсия шудааст. Сабти кабуди метилен дар NIST ва сабти кабуди метилен дар ChEBI ин шаклҳоро ҳуҷҷатгузорӣ мекунанд. Маълумотномаи химия ва сохтор мефаҳмонад, ки чаро катион, намаки беоб ва гидратҳо ба номҳои ҷудогона ниёз доранд.

Аз ин се натиҷа бармеояд.

Аввалан, муқоисаи 158 бо 320 фарқи воқеии андозаи ионҳои рангаро камтар нишон медиҳад, зеро зарраи бунафш бо массаи тақрибан 119 g/mol аз катиони кабуд бо массаи тақрибан 284 g/mol хеле хурдтар аст. Ҳар ду қабатҳои гидрататсионӣ доранд, ки андозаи муассири онҳоро зиёд мекунанд.

Дуюм, катионҳои кабуди метилен ба сатҳҳо мечаспанд. Бо афзоиши консентратсия онҳо димерҳо ва агрегатҳои калонтар ташкил медиҳанд ва дар агар адсорбсия мешаванд. Дар таҳқиқоти адсорбсия дар агар пайвастшавии ҳам мономер ва ҳам димер гузориш шудааст. Ранги адсорбсияшуда беҳаракат мемонад. Он гелро ранг мекунад, аммо фронтро ба пеш намебарад.

Сеюм, хокаи маъмули реактив гидрат аст, бинобар ин як грамми баркашидашуда дар таркиби кристаллаш об дорад. Муқоисаи тригидрат ва шакли беоб нишон медиҳад, ки ин моляриятро чӣ гуна тағйир медиҳад. Барои муқоисаи одилона дар синф маҳлулҳоро бо консентратсияҳои молярии баробари намакҳо омода кунед ва сабт намоед, ки кадом шакли сахт истифода шудааст.

Чаро дар ин ҷо сабуктар маънои тезтарро надорад

Дар маҳлулҳои тунук модели аввалияи беҳтар аз масса модели Стокс–Эйнштейн аст. Дар он коэффисиенти диффузия ба ҳарорат мутаносиб ва ба часпакӣ ва радиуси гидродинамикӣ чаппа мутаносиб мебошад. Андозаи хурдтари гидрататсияшуда бартарӣ дорад. Дар дохили як оилаи химиявӣ массаи камтар аксаран бо андозаи хурдтар ҳамбастагӣ дорад, бинобар ин сабуктар будан метавонад шарҳи сабаб ба назар расад. Аммо ин ҳамбастагӣ аст, на механизми раванд.

Қонуни Грэм, ки мувофиқи он суръати эффузияи газҳо ба решаи квадрати массаи молярӣ чаппа мутаносиб аст, ин лавҳаро тавсиф намекунад. Баровардани он ба назарияи кинетикии газҳо тааллуқ дорад, ки дар ин шарҳи OpenStax оид ба эффузия ва диффузияи газҳо ҷамъбаст шудааст. Дар моеъҳо муқовимати часпакӣ, гидрататсия, таъсири шакл ва зичии ҷойгиршавии зарраҳо низ нақш доранд. Дар гелҳо сохтори ковокиҳо, печутоби роҳҳои ҳаракат, адсорбсия ва таъсири мутақобилаи зарядҳо бо полимер илова мешаванд.

Рақамҳо ин фарқро ошкор мекунанд. Татбиқи қонуни Грэм ба 158 ва 320 таносуби суръатҳоро тақрибан 1.42 пешгӯӣ мекунад. Коэффисиентҳои диффузияи дар маҳлулҳои тунуки обӣ ченшуда манзараи дигареро нишон медиҳанд: барои перманганат тақрибан 1.6 то 1.8 зарби 10^-9 m^2/s ва барои кабуди метилен тақрибан 4.5 то 5 зарби 10^-10 m^2/s, яъне таносуб ба 3 ё 4 наздиктар аст. Танҳо масса чунин таносубро шарҳ дода наметавонад. Андозаи гидрататсияшуда, агрегатсия ва пайвастшавӣ ба гел қисми боқимондаи фарқро ба вуҷуд меоранд.

Ба андешаи «сабуктар — тезтар» ҳамчун моделе бо фарзияҳои муайян муносибат кунед: зарраҳои курашакл, набудани пайвастшавӣ, набудани агрегатсия ва шароити яксон. Дар лавҳа ҳадди ақал дутои ин фарзияҳо риоя намешаванд.

Чӣ гуна муқоисаи одилона гузарондан мумкин аст

Ин намоиш ба ҳамон тарзе ноком мешавад, ки нармафзор ноком мешавад: ғояи асосӣ дуруст аст, аммо гузариш аз ғоя ба ченкунӣ пур аз домҳост. Ҳар яке аз омилҳои зерин ҷавобро бе тағйир додани ягон хосияти молекулавӣ тағйир медиҳад.

Аз як партияи агар бо ғафсии яксон, як асбоби сохтани чуқурчаҳо, ҳаҷмҳои баробари моеъ ва консентратсияҳои молярии баробар истифода баред. Консентратсияҳоро ба қадри кофӣ паст нигоҳ доред, то агрегатсияи кабуди метилен маҳдуд шуда, ранг аз ҳад сер нашавад. Барои ҳар моддаи ҳалшуда ҳадди ақал се чуқурчаи такрорӣ созед ва онҳоро чунон ҷойгир кунед, ки фронтҳо ҳеҷ гоҳ ба ҳам нарасанд. Зарфҳоро пӯшонед, онҳоро уфуқӣ нигоҳ доред ва ҳароратро доимӣ нигоҳ доред, зеро таҳқиқоти рангҳо дар агар вобастагии қавӣ аз ҳарорат ва консентратсия-ро нишон медиҳанд. Лаҳзаи пур карданро вақти сифр қабул кунед ва пеш аз ченкунӣ сарҳадро муайян намоед: ҳадди собити муайянкунии ранг дар акс аз сарҳаде, ки бо чашм тахмин мешавад, беҳтар аст, зеро ҳадди ошкоршавии визуалии кабуд ва бунафш фарқ мекунад. Барои ҳар доғ ду диаметри ба ҳам перпендикулярро сабт кунед ва онҳоро ба радиуси миёна табдил диҳед, зеро омехта кардани радиус бо диаметр ҳар графики квадрати масофаро 4 маротиба таҳриф мекунад.

Нишонаҳо: қисми чап радиуси ҳар фронтро аз канори чуқурча то сарҳади ранг дар намуди аз боло нишон медиҳад; қисми рост буриши агарро бо чуқурии чуқурча ва ҳалқаҳои градиенти ба берун равонашуда нишон медиҳад; шарҳи нишонаҳо тағйирёбандаҳои назоратшавандаро номбар мекунад (фоизи агар, ғафсӣ, молярияти ранг, ҳаҷм, андозаи чуқурча, ҳарорат, вақти сифр, рӯшноӣ).

Аз таъсирҳое ҳазар кунед, ки худро ҳамчун диффузия нишон медиҳанд. Рехтани моеъ ба рӯйи агар ба диффузияи тез монанд менамояд ва ҳамчун артефакти чуқурчаҳои хурди агар ҳуҷҷатгузорӣ шудааст. Перманганат оксидкунандаи қавӣ аст ва метавонад дар таъсир бо миқдори ночизи моддаҳои органикӣ сарф шавад; ин фронти онро бозмедорад ё беранг мекунад. Кабуди метилен дар реаксияҳои оксиду барқароршавӣ фаъол аст ва метавонад зери рӯшноӣ ё дар шароити барқароркунанда камранг шавад; химияи оксиду барқароршавии кабуди метилен ва шакли барқароршудаи беранги он ин рафторро шарҳ медиҳад.

Ёддошти кӯтоҳ дар бораи ҳалкунанда: дар намоиши стандартӣ ҳар ду чуқурча маҳлулҳои обӣ доранд. Агар дар протокол ҳалкунанда иваз карда шавад, аввал роҳнамои ҳалшавандагӣ ва тайёр кардани маҳлул-ро санҷед, зеро ҳалшавандагӣ ва агрегатсия бо тағйири муҳит дигар мешаванд.

Варақаи мушоҳида барои синф

Ин ҷадвалро ба дафтарҳо кӯчонед ё барои ҳар чуқурча як сатр чоп кунед. Барои ҳар зарф ҷадвали алоҳида нигоҳ доред, то натиҷаҳои такрорӣ дуруст сабт шаванд.

Барои таҳлил квадрати радиуси миёнаро барои ҳар чуқурча вобаста ба вақти гузашта ба график гузоред ва нишебиҳоро муқоиса кунед; дар назди график таърифи сарҳадро низ нависед. Агар ҳамаи шаш каҷхат бо парокандагии натиҷаҳояшон нишон дода шаванд, хонандагон тағйирпазириро ҳамчун маълумот мебинанд, на ҳамчун сабаби хиҷолат.

Бехатарӣ қисми протокол аст: дастпӯшак ва воситаи муҳофизати чашм пӯшед, зеро кабуди метилен пӯст ва либосро доғдор мекунад ва перманганат оксидкунандаест, ки доғ мегузорад ва озурдагӣ ба вуҷуд меорад. Маҳлулҳоро ба даҳон нарасонед, болои табақча кор кунед ва лавҳаҳою моеъҳоро тавассути низоми партовҳои химиявии мактаб дур кунед, на ба дастшӯяк резед.

Ҷумлае, ки арзандаи навиштан аст

Дар ин шароити агар, консентратсия ва ҳарорат фронти намоёни перманганат одатан аз фронти кабуди метилен тезтар паҳн мешавад. Ин бо он мувофиқ аст, ки перманганат коэффисиенти муассири диффузияи калонтар дорад. Сабаби асосӣ он аст, ки иони гидрататсияшудаи он хеле хурдтар мебошад ва мисли кабуди метилен агрегат намесозад ё ба агар пайваст намешавад. Дар ин ҷо массаи молекулавӣ бо ин фарқи андоза ҳамбастагӣ дорад, аммо танҳо масса суръати диффузияро дар моеъҳо ё гелҳо муайян намекунад.

Синфе, ки ин ҷумларо менависад, ду чизро омӯхтааст: як далел дар бораи ду иони ранга ва одати пурсидани он, ки намоиш воқеан чиро чен мекунад, пеш аз бовар кардан ба он чизе, ки зоҳиран нишон медиҳад.