Difusyon ng methylene blue at permanganate: ano ang ipinapakita ng eksperimento sa agar

Gumagawa ang isang guro ng dalawang balon sa isang plato ng agar, pinupuno ang isa ng asul na tina at ang isa ng lilang solusyon, at pinagmamasid ang klase. Pagkalipas ng isang oras, mas malawak na ang lilang singsing. Isinusulat ng klase na mas mabilis ang difusyon ng potassium permanganate kaysa methylene blue dahil mas magaan ito.

Kalahating tama at kalahating mapanlinlang ang pangungusap na iyon, at ang mapanlinlang na kalahati ang kawili-wiling bahagi. Karaniwang aralin sa difusyon ang demonstrasyon, gaya ng inilalarawan sa gawaing ito sa laboratoryo tungkol sa difusyon sa agar, ngunit hindi ang epekto ng molekular na timbang ang nakikita ng mga mag-aaral. Ang nakikita nila ay ang paggalaw ng nakikitang hangganan ng kulay sa gel, na naaapektuhan ng laki ng ion, hidrasyon, pagbubuklod ng tina, konsentrasyon, temperatura, at paraan ng pagsukat sa hangganan.

Ang hangganan ng kulay ay hindi ang koepisyente ng difusyon

Ang difusyon ay ang pagkalat ng mga natunaw na partikulo mula sa mataas na konsentrasyon patungo sa mababang konsentrasyon. Inilalarawan ng koepisyente ng difusyon, na karaniwang isinusulat bilang D, kung gaano kabilis ang pagkalat na iyon para sa isang partikular na soluto sa isang partikular na midyum sa isang partikular na temperatura.

Hindi direktang ipinapakita ng plato sa klase ang D. Ipinapakita nito ang hangganan kung saan napakahina na ng kulay para makita. Nakadepende ang hangganang iyon sa kakayahan ng tina na sumipsip ng liwanag, sa pag-iilaw, eksposyur ng kamera, konsentrasyong inilagay sa balon, at pagtataya ng taong may hawak ng ruler, pati na rin sa mismong difusyon.

Tawagin ang sinusukat sa klase ayon sa kung ano talaga ito: ang paggalaw ng nakikitang harap ng difusyon. Sa mga pormal na pagsusuri, iniuugnay ang karaniwang kuwadrado ng displacement sa D gamit ang mga ugnayang gaya ng nasa pagsusuri ng difusyong Fickian, ngunit kailangan ng mga profile ng konsentrasyon sa paglipas ng panahon upang matantiya ang D, hindi ng iisang diyametro sa pagtatapos ng klase. Sa isang nailathalang pag-aaral sa klase, nakuha ang koepisyente ng difusyon ng methylene blue sa gel na malapit sa 4.5 beses ng 10^-10 m^2/s sa pamamagitan ng paglalagay sa grap ng kuwadrado ng distansiya laban sa oras, sa halip na paghahambing ng huling laki ng mga batik. Hindi iyon magagawa ng iisang larawan sa isang sandali.

Ito ang konsepto sa likod ng demonstrasyon, at ang lahat ng iba pa ay mga detalye kung gaano katapat itong kinakatawan ng plato.

Dalawang may-kulay na ion, hindi dalawang molekula

Wala sa dalawang soluto ang naglalakbay sa agar sa anyong ipinapakita ng pormulang nakalimbag sa bote. Pareho silang malalakas na elektrolito na naghihiwalay sa mga ion sa tubig.

Ang potassium permanganate (KMnO4, masa ng pormula na humigit-kumulang 158.03 g/mol) ay naghihiwalay sa mga ion ng potassium at mga ion ng permanganate. Ang gumagalaw na lilang partikulo ay ang ion ng permanganate na MnO4^-, na may masang humigit-kumulang 118.94 g/mol at napapalibutan ng sapin ng tubig. Ang methylene blue chloride (anhydrous na asin na C16H18ClN3S, humigit-kumulang 319.85 g/mol) ay naghihiwalay sa chloride at sa asul na organikong kation na MB^+, na may masang humigit-kumulang 284.41 g/mol at may hidrasyon din. Nakadokumento ang mga anyong ito sa tala ng NIST tungkol sa methylene blue at sa tala ng ChEBI tungkol sa methylene blue, at ipinapaliwanag ng sanggunian sa kimika at estruktura kung bakit kailangan ng magkakahiwalay na pangalan para sa kation, sa anhydrous na asin, at sa mga hydrate.

May tatlong kahihinatnan ito.

Una, hindi lubos na naipapakita ng paghahambing ng 158 at 320 ang tunay na agwat sa laki ng mga may-kulay na ion, dahil ang lilang species na humigit-kumulang 119 g/mol ay mas maliit kaysa sa asul na kation na humigit-kumulang 284 g/mol, at pareho silang may sapin ng hidrasyon na nagpapalaki sa epektibong sukat.

Ikalawa, kumakapit sa mga materyal ang mga kation ng methylene blue. Bumubuo sila ng mga dimer at mas malalaking kumpol habang tumataas ang konsentrasyon, at naaadsorb sila sa agar; naiulat ang pagbubuklod ng parehong monomer at dimer sa mga pag-aaral ng adsorpsiyon sa agar. Hindi gumagalaw ang tina na naadsorb. Nagbibigay ito ng kulay sa gel nang hindi pinasusulong ang harap ng difusyon.

Ikatlo, hydrate ang karaniwang pulbos na reagent, kaya may tubig sa kristal ang bawat tinimbang na gramo. Ipinapakita ng paghahambing ng trihydrate at anhydrous na anyo kung paano nito binabago ang molarity. Para sa patas na paghahambing sa klase, maghanda ng mga solusyon na may magkakapantay na molar na konsentrasyon ng mga asin at itala kung aling solidong anyo ang ginamit.

Bakit hindi nangangahulugang mas mabilis ang mas magaan dito

Sa mga malabnaw na likido, mas magandang panimulang modelo kaysa masa ang modelo ng Stokes-Einstein, kung saan proporsiyonal ang koepisyente ng difusyon sa temperatura na hinati sa lagkit at radyus na hidrodinamiko. Mas mabilis ang partikulong mas maliit kapag may hidrasyon. Madalas na kaugnay ng mas maliit na sukat ang mas mababang masa sa loob ng isang pamilya ng mga kemikal, kaya maaaring magmukhang paliwanag ang pagiging mas magaan. Ugnayan ito, hindi ang mekanismo.

Hindi namamahala sa platong ito ang batas ni Graham, na nagsasabing proporsiyonal ang bilis ng effusion ng gas sa kabaligtaran ng square root ng molar na masa. Nagmumula ang pagbuo ng batas na ito sa teoryang kinetiko ng mga gas, na binubuod sa paliwanag na ito ng OpenStax tungkol sa effusion at difusyon ng mga gas. Sa mga likido, nadaragdag ang resistansiya dahil sa lagkit, hidrasyon, mga epekto ng hugis, at pagsisiksikan ng mga partikulo. Sa mga gel, nadaragdag ang estruktura ng mga poro, pasikot-sikot na mga daanan, adsorpsiyon, at mga interaksiyon ng karga sa polimero.

Ipinapakita ng mga numero ang pagkakaiba. Kapag inilapat ang batas ni Graham sa 158 laban sa 320, tinataya nito ang isang proporsiyon ng bilis na humigit-kumulang 1.42. Iba ang ipinapakita ng mga sinusukat na koepisyente ng difusyon sa malabnaw na solusyon sa tubig: malapit sa 1.6 hanggang 1.8 beses ng 10^-9 m^2/s ang permanganate, kumpara sa malapit sa 4.5 hanggang 5 beses ng 10^-10 m^2/s ang methylene blue, isang proporsiyong mas malapit sa 3 o 4. Hindi maipapaliwanag ng masa lamang ang proporsiyong iyon. Ang laki kapag may hidrasyon, pagbuo ng mga kumpol, at pagbubuklod sa gel ang nagpapaliwanag sa natitirang pagkakaiba.

Ituring ang ideyang mas magaan kaya mas mabilis bilang isang modelong may mga palagay: bilog na mga partikulo, walang pagbubuklod, walang pagbuo ng mga kumpol, at magkakatulad na kondisyon. Hindi nasusunod sa plato ang hindi bababa sa dalawa sa mga ito.

Paano gumawa ng patas na paghahambing

Nagkakaproblema ang demonstrasyon gaya ng pagkakaroon ng problema sa software: tama ang pinagbabatayang ideya, ngunit maraming bitag sa pagsasalin ng ideya tungo sa pagsukat. Binabago ng bawat isa sa mga ito ang sagot nang walang binabagong katangiang molekular.

Gumamit ng iisang batch ng agar na ibinuhos sa pare-parehong lalim, iisang panggawa ng balon, magkakapantay na bolyum ng likido, magkakapantay na molar na konsentrasyon, at mga konsentrasyong sapat na mababa upang limitahan ang pagbuo ng mga kumpol ng methylene blue at maiwasang maging sobrang tindi ng kulay. Gumawa ng hindi bababa sa tatlong inuulit na balon para sa bawat soluto, na may sapat na pagitan upang hindi kailanman magtagpo ang mga harap ng difusyon. Takpan ang mga lalagyan, panatilihing pantay ang mga ito, at panatilihing pare-pareho ang temperatura, dahil ipinapakita ng mga pag-aaral ng tina sa agar ang malakas na pagdepende sa temperatura at konsentrasyon. Itakda ang oras na sero sa sandali ng pagpuno, at tukuyin ang hangganan bago magsukat: mas mainam ang nakapirming pamantayan sa larawan kaysa sa hangganang tinatantiya lamang sa mata, dahil magkaiba ang limitasyon ng mata sa pagtukoy ng asul at lila. Itala ang dalawang diyametrong patayo sa isa't isa para sa bawat batik at kalkulahin ang karaniwang radyus, dahil ang pagkalito sa radyus at diyametro ay nagpapamali sa anumang grap ng kuwadrado ng distansiya nang apat na ulit.

Mga etiketa: ipinapakita ng kaliwang panel ang radyus mula sa itaas, na sinusukat mula sa gilid ng balon hanggang sa hangganan ng kulay para sa bawat harap ng difusyon; ipinapakita ng kanang panel ang seksiyong hiwa ng agar, kasama ang lalim ng balon at mga halo na unti-unting humihina ang kulay palabas; nakalista sa paliwanag ng mga simbolo ang mga kinokontrol na baryabol (porsiyento ng agar, kapal, molarity ng tina, bolyum, laki ng balon, temperatura, oras na sero, pag-iilaw).

Mag-ingat sa mga epektong napagkakamalang difusyon. Ang likidong umaapaw sa ibabaw ng agar ay mukhang mabilis na difusyon at isa itong dokumentadong di-sinasadyang epekto ng maliliit na balon sa agar. Malakas na oksidante ang permanganate at maaari itong maubos sa reaksiyon sa bakas ng organikong materyal, kaya humihinto o nawawalan ng kulay ang harap nito. Aktibo sa redox ang methylene blue at maaaring kumupas sa ilalim ng liwanag o sa mga kondisyong nagpapabor sa reduksiyon; ipinapaliwanag ng kimikang redox ng methylene blue at ng walang-kulay nitong anyong na-reduce ang asal na iyon.

Maikling tala tungkol sa pantunaw: tubig ang pantunaw sa parehong balon sa karaniwang demonstrasyon. Kung babaguhin ng isang protokol ang pantunaw, tingnan muna ang gabay sa solubility at paghahanda ng solusyon, dahil nagbabago ang solubility at pagbuo ng mga kumpol ayon sa midyum.

Talaan ng mga obserbasyon sa klase

Kopyahin ang talahanayang ito sa mga kuwaderno o maglimbag ng isang hanay para sa bawat balon. Gumamit ng isang talahanayan para sa bawat lalagyan upang manatiling tapat ang pagtatala ng mga pag-uulit.

Para sa pagsusuri, ilagay sa grap ang kuwadrado ng karaniwang radyus laban sa lumipas na oras para sa bawat balon at ihambing ang mga slope, habang inilalahad sa tabi ng grap kung paano tinukoy ang hangganan. Kung ipapakita ang lahat ng anim na kurba kasama ang kanilang pagkakaiba-iba, makikita ng klase ang pagkakaiba-iba bilang datos sa halip na isang bagay na dapat ikahiya.

Bahagi ng protokol ang kaligtasan: magsuot ng guwantes at proteksiyon sa mata, dahil nagmamantsa sa balat at damit ang methylene blue, at ang permanganate ay isang oksidanteng nagmamantsa at nagdudulot ng iritasyon. Huwag ilapit sa bibig ang mga solusyon, magtrabaho sa ibabaw ng tray, at itapon ang mga plato at likido ayon sa sistema ng paaralan para sa basurang kemikal sa halip na sa lababo.

Ang pangungusap na sulit isulat

Sa mga kondisyong ito ng agar, konsentrasyon, at temperatura, karaniwang mas mabilis kumalat ang nakikitang harap ng permanganate kaysa sa harap ng methylene blue. Kaayon ito ng mas malaking epektibong koepisyente ng difusyon ng permanganate, pangunahin dahil mas maliit ang ion nito kapag may hidrasyon at hindi ito bumubuo ng mga kumpol o nagbubuklod sa agar gaya ng methylene blue. Kaugnay rito ang molekular na masa ng pagkakaibang iyon sa laki, ngunit hindi masa lamang ang nagtatakda ng bilis ng difusyon sa mga likido o gel.

Dalawang bagay ang natutuhan ng klaseng nagsusulat ng pangungusap na iyon: isang katotohanan tungkol sa dalawang makukulay na ion, at ang ugaling itanong muna kung ano ang sinusukat ng isang demonstrasyon bago magtiwala sa tila ipinapahiwatig nito.