การทดลองขวดสีน้ำเงิน: เคมี ขั้นตอน และการสังเกต

ขวดใสวางอยู่บนโต๊ะทดลอง ดูคล้ายมีแต่น้ำอยู่ภายใน เมื่อมีคนเขย่า ของเหลวจะเปลี่ยนเป็นสีน้ำเงินสด เมื่อตั้งทิ้งไว้ สีน้ำเงินจะค่อย ๆ จางหายภายในหนึ่งหรือสองนาที เขย่าอีกครั้ง สีน้ำเงินก็กลับมา ของเหลวที่เตรียมไว้เพียงครั้งเดียวสามารถทำซ้ำได้ยี่สิบครั้งหรือมากกว่า

นักเรียนมักเดาว่ามีบางอย่างซ่อนอยู่ในขวด หรือการเขย่าทำให้ของเหลวสองชั้นผสมกัน ทั้งสองข้อสันนิษฐานไม่ถูกต้อง แต่ช่วยให้เรียนรู้ได้ดี สีเกิดจากสีย้อมเพียงชนิดเดียวคือเมทิลีนบลู ซึ่งกระจายอยู่ทั่วสารละลาย สิ่งที่เปลี่ยนไปคือจำนวนอิเล็กตรอนที่สีย้อมรับไว้ การสาธิตนี้ทำให้วงจรรีดอกซ์มองเห็นได้ และตัวแปรทุกอย่างที่นักเรียนสังเกตได้ เช่น เวลาในการเขย่า อุณหภูมิ และความเข้มข้น ล้วนเชื่อมโยงกับองค์ประกอบของเคมีในระบบ

สีย้อมชนิดเดียวกันในสองรูปแบบ

เมทิลีนบลูในรูปออกซิไดซ์เป็นระบบวงแหวนแบนที่มีประจุบวก ดูดกลืนแสงอย่างมากในช่วง 600 ถึง 700 nanometres ซึ่งดวงตามองเห็นเป็นสีน้ำเงินเข้ม รูปแบบทั้งสองและสเปกตรัมของมันอธิบายไว้ในคู่มือโครงสร้างและสมบัติของเมทิลีนบลู

การรีดิวซ์เพิ่มอิเล็กตรอนสองตัวและโปรตอนหนึ่งตัว ทำให้เกิดลิวโคเมทิลีนบลู ซึ่งไม่มีประจุ ไม่เป็นระนาบ และแทบไม่มีสี ในสารละลายด่าง ครึ่งปฏิกิริยาเขียนได้ดังนี้ MB+ + H2O + 2 e- ⇌ LMB + OH-. ขั้นตอนนี้ย้อนกลับได้อย่างสมบูรณ์ สีน้ำเงินหมายถึงรูปออกซิไดซ์ ไม่มีสีหมายถึงรูปรีดิวซ์ และไม่มีสถานะที่สามให้ต้องติดตาม จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการเรียนรู้เคมีรีดอกซ์เป็นครั้งแรก

วงจร: กลูโคสรีดิวซ์ ออกซิเจนรีออกซิไดซ์

ในขวดมีสารที่ทำหน้าที่หลักสามชนิด ได้แก่ เมทิลีนบลู กลูโคส และด่างเข้มข้น ซึ่งเป็นโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์หรือโซเดียมไฮดรอกไซด์ ด่างช่วยให้กลูโคสเปลี่ยนเป็นรูปที่สูญเสียโปรตอนและมีความไวต่อปฏิกิริยา ซึ่งสามารถให้อิเล็กตรอนแก่สีย้อมได้:

reducing sugar + MB (blue, oxidised) -> oxidised sugar products + LMB (colourless)

ขั้นตอนที่ช้านี้ทำให้สีหายไปขณะที่ขวดตั้งนิ่ง กลูโคสเป็นตัวให้อิเล็กตรอนแบบสละตัวเองและถูกใช้ไป ส่วนสีย้อมเพียงทำหน้าที่ขนถ่ายอิเล็กตรอน ดังนั้นเพียงไม่กี่หยดก็เพียงพอสำหรับทั้งขวด คำอธิบายในชั้นเรียนแบบเก่ามักกล่าวว่ากลูโคสเปลี่ยนเป็นกรดกลูโคนิก คำอธิบายย่อนี้สามารถทำนายสิ่งที่สังเกตได้ แต่ผู้สอนควรทราบว่ายังไม่ครบถ้วน: การวิเคราะห์เชิงกลไกที่ตีพิมพ์ใน Royal Society Open Science ติดตามการออกซิเดชันผ่านเอนีไดโอเลตที่ไวต่อปฏิกิริยาไปเป็นสารไดคาร์บอนิล ซึ่งแตกตัวต่อไปเป็นกรดโมเลกุลเล็กกว่า

การเขย่าทำให้ผลที่มองเห็นกลับทิศ การกวนทำให้ออกซิเจนจากอากาศในช่องว่างเหนือของเหลวละลายลงในสารละลาย และออกซิเจนจะรีออกซิไดซ์สีย้อมในรูปรีดิวซ์:

LMB (colourless) + O2 -> MB (blue) + reduced oxygen products

เมื่อตั้งทิ้งไว้ ออกซิเจนที่ละลายอยู่จะหมดลง กลูโคสจะรีดิวซ์สีย้อมอีกครั้ง และสีจะจางลง เมื่อทำซ้ำหลายวงจร ปฏิกิริยาสุทธิคือการออกซิเดชันของน้ำตาลด้วยอากาศ โดยสีย้อมหมุนเวียนกลับไปกลับมาโดยไม่เปลี่ยนแปลงในฐานะตัวกลางรีดอกซ์ สารนี้เป็นตัวกลางมากกว่าจะเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาอย่างเคร่งครัด เพราะการออกซิเดชันของน้ำตาลยังดำเนินได้แม้ไม่มีมัน และการที่สีจางลงก็ไม่ใช่การสลายตัว เพราะหากสีย้อมถูกทำลายไปแล้ว การเขย่าจะไม่สามารถทำให้สีกลับมาได้ สำหรับการรักษาความเสถียรของสารละลายสีย้อมระหว่างการสาธิต โปรดดูหมายเหตุเกี่ยวกับการจัดการและการเก็บรักษาสารละลายเมทิลีนบลู

ขั้นตอนสำหรับการสาธิตภายใต้การดูแล

นี่เป็นการสาธิตภายใต้การดูแล ไม่ใช่กิจกรรมสำหรับทำในครัวเรือน ด่างจำเป็นต้องใช้แว่นป้องกันสารเคมีกระเด็น ถุงมือ และผู้สอนที่รับผิดชอบการเตรียมและการเก็บกวาด สูตรที่มีการบันทึกไว้สองแบบมีโครงสร้างเหมือนกันแต่ต่างกันที่ขนาดการเตรียม

เอกสารคำแนะนำของการสาธิตที่เผยแพร่โดยภาควิชาเคมี Indiana University ใช้โพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ประมาณ 5 percent กลูโคส 4 percent และสารละลายเมทิลีนบลูในน้ำ 1 percent เทสารละลายด่างและกลูโคสในปริมาตรเท่ากันลงในขวดใสขนาด 250 or 500 millilitre จนเต็มครึ่งขวด โดยเว้นส่วนที่เหลือไว้เป็นช่องอากาศ เติมสีย้อมไม่กี่หยด ปิดฝา ปิดผนึกรอยต่อ และตั้งทิ้งไว้จนสีน้ำเงินหายไป ขั้นตอนของ Royal Society of Chemistry ขยายแนวคิดเดียวกันไปใช้กับขวดรูปกรวยมีจุกขนาด 1 litre: น้ำ 300 millilitres กลูโคส 10 grams โพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ 8 grams (หรือโซเดียมไฮดรอกไซด์ 6 grams) และสารละลายสีย้อมเจือจางอีกไม่กี่มิลลิลิตร

เมื่อต้องการสาธิต ให้เขย่าแรง ๆ สีน้ำเงินเต็มที่จะเกิดขึ้นภายในไม่กี่วินาที วางขวดลงและจับเวลาการจางของสี Royal Society of Chemistry รายงานว่าสามารถทำซ้ำได้มากกว่ายี่สิบวงจรต่อการเตรียมหนึ่งครั้ง ห้ามเติมของเหลวจนเต็มขวด เพราะหากไม่มีอากาศกักอยู่ภายใน ก็จะไม่มีแหล่งสำรองออกซิเจนให้ละลายลงในสารละลาย

สิ่งที่ควรสังเกต และปัจจัยที่เปลี่ยนเวลา

จับเวลาสามอย่าง: เวลาที่เขย่าจนเป็นสีน้ำเงินเต็มที่ (วินาที) เวลาที่ตั้งทิ้งไว้จนไม่มีสี (นานได้ถึงไม่กี่นาที) และจำนวนวงจรก่อนที่สีน้ำเงินจะเริ่มอ่อนลง ช่วงใกล้สิ้นสุดการจางของสีแต่ละครั้ง ให้สังเกตบริเวณผิวหน้า มักมีชั้นสีน้ำเงินบาง ๆ คงอยู่ตรงรอยต่อกับอากาศ ซึ่งออกซิเจนยังคงแพร่เข้าสู่ของเหลว เส้นนี้คือการแพร่ที่มองเห็นได้

ปฏิกิริยาขวดสีน้ำเงินเป็นไปตามกฎอัตราเชิงประจักษ์ที่รายงานร่วมกับขั้นตอนของ Royal Society of Chemistry: rate = k[MB oxidised][glucose]OH-. แต่ละพจน์สามารถนำมาทดลองในชั้นเรียนได้ การเพิ่มกลูโคส ด่าง หรือสีย้อมทำให้ช่วงเวลาที่เป็นสีน้ำเงินสั้นลง ความอุ่นเร่งการจางของสี ส่วนขวดที่เย็นจะตอบสนองช้าลง การเขย่าแรงขึ้นทำให้ออกซิเจนละลายมากขึ้น ดังนั้นสีน้ำเงินจึงคงอยู่นานขึ้น ช่องอากาศที่ใหญ่ขึ้นทำให้การทดลองดำเนินได้นานขึ้น เมื่อวงจรเริ่มอ่อนลงในที่สุดและของเหลวเปลี่ยนเป็นสีเหลือง แสดงว่าน้ำตาลถูกใช้ไปและผลผลิตข้างเคียงสะสมมากขึ้น จุดสิ้นสุดนี้เองก็เป็นผลการทดลองที่ควรบันทึก

แบบบันทึกการสังเกต

คัดลอกตารางนี้ลงในสมุดบันทึก โดยใช้หนึ่งแถวต่อการทดลองแต่ละครั้ง แบบบันทึกนี้และแผนภาพปฏิกิริยาด้านบนเป็นสื่อที่พิมพ์ได้ของบทความนี้

คำถามสำหรับคาดการณ์ ให้ตอบก่อนการทดลองแต่ละครั้ง:

• ขวดเป็นสีน้ำเงินทันทีหลังเขย่า รูปแบบใดของสีย้อมมีอยู่เป็นหลัก และอะไรทำให้มันอยู่ในรูปนั้น?
• เมื่อตั้งขวดทิ้งไว้ สีจะจางลง ปฏิกิริยาใดกำลังเด่นกว่า และส่วนผสมใดถูกใช้ไป?
• หลังจากหลายวงจร สีน้ำเงินจะอ่อนและออกเหลือง ควรทำให้กลับมาอีกครั้งด้วยสีย้อม ด่าง หรือกลูโคส และเพราะเหตุใด?
• วาดกราฟสีเทียบกับเวลาสำหรับหนึ่งวงจร ทำเครื่องหมายตำแหน่งที่ออกซิเจนเข้าสู่สารละลาย คำตอบสำหรับผู้สอน: (1) เมทิลีนบลูรูปออกซิไดซ์ ซึ่งถูกรีออกซิไดซ์ด้วยออกซิเจนที่ละลายจากช่องอากาศเหนือของเหลว; (2) การรีดิวซ์ด้วยกลูโคส โดยกลูโคสถูกใช้ไป; (3) กลูโคส ซึ่งเป็นตัวให้อิเล็กตรอนที่เป็นสารจำกัด เพราะสีย้อมหมุนเวียนโดยไม่เปลี่ยนแปลง; (4) สีเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเมื่อเขย่า แล้วค่อย ๆ ลดลงเมื่อตั้งนิ่ง โดยออกซิเจนเข้าสู่สารละลายในช่วงที่สีเพิ่มขึ้นเท่านั้น

ปฏิกิริยาที่ใกล้เคียงและควรรู้ชื่อ

การสาธิตแบบสัญญาณไฟจราจรใช้ indigo carmine แทน และเปลี่ยนผ่านสีเหลือง แดง และเขียวตามระดับการเติมออกซิเจน ชื่อ green bottle ถูกใช้อย่างไม่เคร่งครัด บางครั้งหมายถึงการทดลองรูปแบบนั้น และบางครั้งหมายถึงสูตรที่ให้สีเขียวมากกว่า เช่น ระบบกรดแอสคอร์บิก หรือระบบการหมุนเวียนด้วยเอนไซม์ที่อธิบายโดย American Chemical Society ควรระบุชื่อรูปแบบที่ใช้อยู่บนโต๊ะทดลองให้ชัดเจน เพื่อให้นักเรียนไม่ปะปนข้อสังเกตจากระบบเคมีที่ต่างกัน

ความปลอดภัยและการจัดการ

ต้องมีการดูแลตลอดเวลา ใช้แว่นป้องกันสารเคมีกระเด็นและถุงมือเมื่อต้องจัดการสารละลายด่างหรือเขย่าภาชนะที่ปิดจุก ด่างทำให้เกิดแผลไหม้ได้ สีย้อมทำให้ผิวหนังและผ้าเปื้อน และหากเตรียมสารละลายสีย้อมด้วยเอทานอล ก็จะมีตัวทำละลายไวไฟเพิ่มเข้ามาบนโต๊ะทดลอง ปิดจุกภาชนะไว้ขณะเขย่า หลังการทดลอง ให้เก็บสารละลายที่ใช้แล้วเพื่อดำเนินการตามกฎของห้องปฏิบัติการในสถาบันของคุณเอง ข้อกำหนดสำหรับของเสียที่มีด่างและสีย้อมแตกต่างกันไปตามสถาบันและเขตอำนาจศาล ดังนั้นให้ปฏิบัติตามขั้นตอนที่ห้องปฏิบัติการของคุณกำหนด แทนที่จะนำขั้นตอนจากแหล่งอื่นมาใช้โดยตรง

หากต้องการข้อมูลเชิงตัวเลขแทนการเปลี่ยนแปลงของสี การวิเคราะห์เชิงปริมาณสำหรับเมทิลีนบลูสามารถดำเนินต่อจากจุดที่การสาธิตนี้สิ้นสุดลง

เหตุใดครูจึงยังใช้ขวดนี้

ขวดทดลองเพียงหนึ่งใบรวมแนวคิดสี่ประการไว้ด้วยกัน รีดอกซ์กลายเป็นสิ่งที่มองเห็นเป็นสีแทนที่จะเป็นเพียงคำจำกัดความ ตัวกลางแสดงให้เห็นว่าสารปริมาณเล็กน้อยสามารถรายงานการเปลี่ยนแปลงของสารอีกชนิดที่มีอยู่ในปริมาณมากได้อย่างไร จลนพลศาสตร์แยกออกจากอุณหพลศาสตร์ให้เห็นอย่างชัดเจน: ออกซิเจนเป็นฝ่ายเด่นเมื่อการเขย่าช่วยเติมมันเข้าสู่ระบบ ส่วนกลูโคสเป็นฝ่ายเด่นเมื่อการเติมนั้นหยุดลง และการแพร่ ซึ่งเป็นกระบวนการที่เงียบที่สุดอย่างหนึ่งในเคมี เป็นสิ่งที่ทำให้การสาธิตทั้งหมดเกิดขึ้นได้ เพราะทุกครั้งที่สีน้ำเงินปรากฏขึ้น จุดเริ่มต้นคือออกซิเจนเคลื่อนผ่านจากอากาศเข้าสู่น้ำ การสาธิตที่เปิดโอกาสให้นักเรียนคาดการณ์ จับเวลา และอธิบายสิ่งเหล่านี้ทั้งหมดได้ด้วยนาฬิกาจับเวลาและตาราง ย่อมมีคุณค่าพอที่จะอยู่บนโต๊ะทดลอง