Metilen gögüniň we permanganatyň diffuziýasy: agar tejribesi nämäni görkezýär

Mugallym agar gatlagynda iki oýuk açýar, birini gök boýag, beýlekisini bolsa melewşe ergin bilen doldurýar we okuwçylara syn etmegi aýdýar. Bir sagatdan soň melewşe halka has giň bolýar. Okuwçylar kaliý permanganatynyň has ýeňil bolandygy üçin metilen gögünden çalt diffuziýa edýändigini ýazýarlar.

Bu sözlemiň ýarysy dogry, ýarysy bolsa ýalňyş düşünje döredýär; hut şol ikinji ýarysy gyzyklydyr. Bu görkezme tejribesi diffuziýa boýunça adaty sapakdyr; mysal üçin, ol şu agar diffuziýasy boýunça laboratoriýa işinde beýan edilýär. Emma okuwçylaryň görýän zady molekulýar massanyň täsiri däl. Olar ionyň ululygynyň, gidratlaşmagyň, boýagyň baglanyşmagynyň, konsentrasiýanyň, temperaturanyň we araçägi ölçemegiň usulynyň täsir edýän hadysasyny — görünýän reňk araçäginiň geliň içinden hereketini görýärler.

Reňkli araçäk diffuziýa koeffisiýenti däldir

Diffuziýa erän bölejikleriň ýokary konsentrasiýaly ýerden pes konsentrasiýaly ýere ýaýramagydyr. Adatça D bilen belgilenýän diffuziýa koeffisiýenti belli bir erän maddanyň belli bir gurşawda, belli bir temperaturada näçe çalt ýaýraýandygyny häsiýetlendirýär.

Synpdaky agar gatlagy D-ni gönüden-göni görkezmeýär. Ol reňkiň görünmejek derejede solgun bolýan araçägini görkezýär. Bu araçäk diffuziýanyň özünden başga-da, boýagyň ýagtylygy siňdiriş ukybyna, yşyklandyryşa, kameranyň ekspozisiýasyna, oýuga guýlan erginiň konsentrasiýasyna we çyzgyç tutýan adamyň baha berşine baglydyr.

Synpda ölçelýän zady öz ady bilen atlandyryň: bu görünýän diffuziýa frontunyň hereketidir. Nazary düşündirişlerde süýşmäniň kwadratynyň ortaça bahasy D bilen Fikiň kanunyna esaslanýan diffuziýa seljermesinde görkezilişi ýaly gatnaşyklar arkaly baglanyşdyrylýar. Emma D-ni maglumatlara laýyklykda kesgitlemek üçin sapagyň ahyrynda ölçelen ýekeje diametr däl-de, wagtyň dowamynda konsentrasiýanyň paýlanyşy gerek. Çap edilen okuw barlaglarynyň birinde soňky reňkli tegmilleriň ululygyny deňeşdirmegiň ýerine, aralygyň kwadratynyň wagta baglylyk grafigini gurmak arkaly metilen gögüniň geldäki diffuziýa koeffisiýentiniň takmynan 4.5 köpeldilen 10^-10 m^2/s bolandygy kesgitlenipdir. Ýekeje pursatdaky surat bu işi ýerine ýetirip bilmez.

Görkezme tejribesiniň esasy düşünjesi şudur; galan zatlaryň hemmesi agar gatlagynyň ony näderejede takyk görkezýändigine degişli jikme-jikliklerdir.

Iki molekula däl-de, iki reňkli ion

Erän maddalaryň hiç biri agaryň içinden çüýşäniň ýüzünde ýazylan formula görnüşinde geçmeýär. Ikisi-de suwda dissosirlenýän güýçli elektrolitlerdir.

Kaliý permanganaty (KMnO4, formula massasy takmynan 158.03 g/mol) kaliý ionlaryna we permanganat ionlaryna bölünýär. Melewşe reňkli hereket edýän bölejik suw örtügi bilen gurşalan, massasy takmynan 118.94 g/mol bolan MnO4^- permanganat ionydyr. Metilen gögüniň hloridi (suwsuz duz C16H18ClN3S, takmynan 319.85 g/mol) hlorid ionyna we massasy takmynan 284.41 g/mol bolan gök organiki MB^+ kationyna bölünýär; bu kation hem gidratlaşandyr. NIST-iň metilen gögi baradaky ýazgysy we ChEBI-niň metilen gögi baradaky ýazgysy bu görnüşleri resmileşdirýär, himiýa we gurluş boýunça maglumat çeşmesi bolsa kationa, suwsuz duza we gidratlara näme üçin aýratyn atlaryň gerekdigini düşündirýär.

Mundan üç netije gelip çykýar.

Birinjiden, 158-i 320 bilen deňeşdirmek reňkli ionlaryň arasyndaky hakyky ululyk tapawudyny pes görkezýär. Sebäbi takmynan 119 g/mol massaly melewşe ion takmynan 284 g/mol massaly gök kationdan has kiçidir we ikisiniň hem täsirli ululygyny artdyrýan gidrat örtükleri bardyr.

Ikinjiden, metilen gögüniň kationlary dürli zatlara ýapyşýar. Konsentrasiýa ýokarlananda olar dimerleri we has uly agregatlary emele getirýärler hem-de agara adsorbirlenýärler. Agara adsorbsiýa boýunça barlaglarda monomeriň-de, dimeriň-de baglanyşýandygy habar berilýär. Adsorbirlenen boýag ýerinde galýar. Ol fronty öňe süýşürmän, geli reňkleýär.

Üçünjiden, giňden ulanylýan reagent tozy gidratdyr, şonuň üçin onuň çekilip alnan bir gramynda kristalyň düzümindäki suw hem bolýar. Trigydrat bilen suwsuz görnüşiň deňeşdirilişi munuň molýar konsentrasiýany nähili üýtgedýändigini görkezýär. Synpda deň şertlerde deňeşdirmek üçin duzlaryň molýar konsentrasiýalary deň bolan erginleri taýýarlaň we haýsy gaty görnüşiň ulanylandygyny belläň.

Näme üçin bu ýerde ýeňil bolmak çalt bolmagy aňlatmaýar

Suwuklandyrylan erginlerde başlangyç model hökmünde massa däl-de, Stoks–Eýnşteýn modeli has ýerliklidir. Bu modelde diffuziýa koeffisiýenti temperatura göni, şepbeşiklige we gidrodinamiki radiusa bolsa ters proporsionaldyr. Gidratlaşan ululygy has kiçi bolan bölejik çalt hereket edýär. Bir himiki maşgalanyň içinde pes massa köplenç kiçi ululyk bilen baglanyşykly bolýar, şonuň üçin ýeňillik düşündiriş ýaly bolup görünýär. Emma bu mehanizm däl-de, korrelýasiýadyr.

Gazlaryň kiçi deşikden çykma tizliginiň molýar massanyň kwadrat köküne ters proporsionaldygyny aýdýan Grehemiň kanuny bu agar gatlagyna degişli däldir. Onuň çykarylyşy gazlaryň kinetiki nazaryýetine degişlidir; bu nazaryýet OpenStax-yň gazlaryň effuziýasy we diffuziýasy baradaky düşündirişinde jemlenýär. Suwuklyklarda şepbeşiklik garşylygy, gidratlaşma, şekiliň täsiri we bölejikleriň dykyz ýerleşmegi goşulýar. Gellerde bolsa gözenek gurluşy, hereket ýolunyň egrem-bugramlygy, adsorbsiýa we polimer bilen zarýad täsirleşmeleri hem goşulýar.

Sanlar bu tapawudy açyp görkezýär. Grehemiň kanuny 158 bilen 320 üçin ulanylanda, tizligiň gatnaşygy takmynan 1.42 bolmaly. Gowşak suw erginlerinde ölçelen diffuziýa koeffisiýentleri başga ýagdaýy görkezýär: permanganat üçin takmynan 1.6-dan 1.8-e çenli köpeldilen 10^-9 m^2/s, metilen gögi üçin bolsa takmynan 4.5-den 5-e çenli köpeldilen 10^-10 m^2/s; bu gatnaşyk 3 ýa-da 4-e has ýakyndyr. Diňe massa şeýle gatnaşygy düşündirip bilmeýär. Galan tapawut gidratlaşan ululykdan, agregasiýadan we gele baglanyşmakdan gelip çykýar.

«Has ýeňil bolsa, has çaltdyr» diýen düşünjäni belli çaklamalara esaslanýan model hökmünde kabul ediň: bölejikler şar şekilli, baglanyşma we agregasiýa ýok, şertler bolsa birmeňzeş. Agar gatlagy bu çaklamalaryň azyndan ikisine laýyk gelmeýär.

Deň şertlerde nädip deňeşdirmeli

Görkezme tejribesi programma üpjünçiliginiň şowsuzlyga uçraýşy ýaly şowsuzlyga uçraýar: esasy pikir dogry, ýöne pikirden ölçeg netijesine geçýän ýol duzaklardan doly. Aşakdaky şertleriň her biri molekulanyň hiç bir häsiýetini üýtgetmän, netijäni üýtgedýär.

Bir taýýarlanan agar toplumyny birmeňzeş galyňlykda guýuň, oýuklary açmak üçin şol bir guraly ulanyň, suwuklyk göwrümlerini we molýar konsentrasiýalary deň saklaň. Metilen gögüniň agregasiýasyny çäklendirmek we reňki aşa doýgun etmezlik üçin konsentrasiýalar ýeterlik derejede pes bolsun. Her erän madda üçin azyndan üç gaýtalama oýugyny açyň we frontlar hiç wagt duşuşmaz ýaly aralyk goýuň. Gaplaryň üstüni ýapyň, olary kese saklaň we temperaturany üýtgetmäň, sebäbi agarda boýaglar bilen geçirilen işler güýçli temperatura we konsentrasiýa baglylygyny görkezýär. Oýugyň doldurylan pursatyny wagtyň başlangyjy diýip belläň we ölçemäge başlamazdan öň araçägiň nähili kesgitlenjekdigini anyklaň: suratda bellenen üýtgemeýän görünmek çägi göz çeni bilen kesgitlenen araçäkden ygtybarlydyr, sebäbi gök we melewşe reňkleriň göze görünmek çäkleri tapawutlanýar. Her tegmil üçin biri-birine perpendikulýar iki diametri ýazyň we olardan ortaça radiusy hasaplaň. Radiusy diametr bilen bulaşdyrmak aralygyň kwadratynyň islendik grafiginde dört esse ýalňyşlyk döredýär.

Bellikler: çep panelde her front üçin oýugyň gyrasyndan reňkiň araçägine çenli radiusyň ýokardan seredilende ölçelişi görkezilýär; sag panelde oýugyň çuňlugy we daşyna tarap ýaýraýan gradient halkalary bilen agaryň kesigi görkezilýär; düşündiriş sanawynda gözegçilikde saklanýan üýtgeýän ululyklar berilýär (agaryň göterimi, galyňlygy, boýagyň molýar konsentrasiýasy, göwrümi, oýugyň ululygy, temperatura, wagtyň başlangyjy, yşyklandyryş).

Diffuziýa meňzeýän ýalňyş täsirlerden ägä boluň. Agaryň ýüzüne dökülen suwuklyk çalt diffuziýa ýaly görünýär we kiçi agar oýuklarynda şeýle artefaktyň ýüze çykýandygy resmileşdirilendir. Permanganat güýçli oksidleýjidir we az mukdardaky organiki madda bilen reaksiýada sarp bolup biler; bu onuň frontunyň öňe gitmegini togtadýar ýa-da reňkini ýitirýär. Metilen gögi oksidlenme-gaýtarylma işjeňligine eýedir we ýagtylykda ýa-da gaýtaryjy şertlerde reňki solup biler; metilen gögüniň we onuň reňksiz gaýtarylan görnüşiniň oksidlenme-gaýtarylma himiýasy bu häsiýeti düşündirýär.

Erediji barada gysga bellik: adaty görkezme tejribesinde iki oýuk hem suw erginleri bilen doldurylýar. Eger tejribäniň tertibinde erediji üýtgedilse, ilki ereýjilik we ergin taýýarlamak boýunça gollanmany barlaň, sebäbi ereýjilik we agregasiýa gurşawa görä üýtgeýär.

Synpda gözegçilik geçirmek üçin iş sahypasy

Bu tablisany depderlere göçüriň ýa-da her oýuk üçin bir setir çap ediň. Her gap üçin aýratyn tablisa ulanmak gaýtalama ölçegleriniň dogry hasaba alynmagyny üpjün edýär.

Seljerme üçin her oýugyň ortaça radiusynyň kwadratynyň geçen wagta baglylyk grafigini guruň we çyzyklaryň ýapgytlygyny deňeşdiriň; grafigiň ýanynda araçägiň nähili kesgitlenendigini hem görkeziň. Alty egriniň hemmesi olaryň arasyndaky tapawutlar bilen bilelikde görkezilse, okuwçylar üýtgeýjiligi utanmaly zat däl-de, maglumat hökmünde görerler.

Howpsuzlyk tejribäniň tertibiniň bir bölegidir: ellik we gözi goraýjy serişdeleri geýiň, sebäbi metilen gögi deride we egin-eşikde menek galdyrýar, permanganat bolsa menek galdyrýan we gyjyndyrýan oksidleýjidir. Erginleri agzyňyza ýetirmäň, işi podnosyň üstünde ýerine ýetiriň we gaplary hem-de suwuklyklary rakowina dökmegiň ýerine, mekdebiň himiki galyndylary aýyrmak tertibi boýunça ýok ediň.

Ýazyp almaga mynasyp sözlem

Agaryň, konsentrasiýanyň we temperaturanyň şu şertlerinde permanganatyň görünýän fronty adatça metilen gögüniň frontundan çalt ýaýraýar. Bu permanganatyň täsirli diffuziýa koeffisiýentiniň has uly bolmagy bilen laýyk gelýär; munuň esasy sebäbi onuň gidratlaşan ionynyň has kiçidigi we metilen gögi ýaly agregatlaşmaýandygy ýa-da agara baglanyşmaýandygy bilen baglydyr. Bu ýagdaýda molekulýar massa şol ululyk tapawudy bilen baglanyşyklydyr, ýöne diňe massa suwuklyklarda ýa-da gellerde diffuziýanyň tizligini kesgitlemeýär.

Şu sözlemi ýazýan okuwçylar iki zady öwrenýärler: iki reňkli ion baradaky bir hakykaty we görkezme tejribesiniň aýdýan ýaly görünýän zadyna ynanmazdan öň, onuň nämäni ölçeýändigini soramak endigini.