Ang eksperimento sa asul na bote: kimika, pamamaraan, at mga obserbasyon

May malinaw na bote sa ibabaw ng mesa. Para itong tubig. Inalog ito ng isang tao, at naging matingkad na asul ang likido. Kapag ibinaba at pinabayaan, nawawala ang asul sa loob ng isa o dalawang minuto. Alugin muli at babalik ang asul. Maaaring ulitin ito nang dalawampung beses o higit pa gamit ang isang pagpuno lamang.

Karaniwang hinuhulaan ng mga mag-aaral na may bagay na nakatago sa bote, o na pinaghalo ng pag-alog ang dalawang patong. Kapaki-pakinabang na napapatunayang mali ang dalawang hula. Ang kulay ay nagmumula sa iisang dye, methylene blue, na naroroon sa buong likido. Ang nagbabago ay kung ilang electron ang dala ng dye. Ang demonstrasyon ay isang redox cycle na ginawang nakikita, at bawat variable na makikita ng klase, oras ng pag-alog, temperatura, concentration, ay tumutugma sa isang termino sa kimika.

Dalawang anyo ng iisang dye

Ang oxidised methylene blue ay isang patag at positively charged na ring system. Malakas itong sumisipsip sa humigit-kumulang 600 to 700 nanometres, na nakikita ng mata bilang malalim na asul. Tinalakay ang dalawang anyo at ang kanilang spectra sa gabay sa istruktura at mga katangian ng methylene blue.

Ang reduction ay nagdaragdag ng dalawang electron at isang proton, na bumubuo ng leucomethylene blue: uncharged, non-planar, at halos walang kulay. Sa alkaline solution, ganito ang half-reaction: MB+ + H2O + 2 e- ⇌ LMB + OH-. Ganap na reversible ang hakbang. Ang asul ay nangangahulugang oxidised, ang walang kulay ay nangangahulugang reduced, at walang ikatlong state na kailangang subaybayan, kaya malinaw itong unang pagpapakilala sa redox chemistry.

Ang siklo: nire-reduce ng glucose, muling ino-oxidise ng oxygen

May tatlong gumaganang sangkap ang bote: methylene blue, glucose, at strong alkali, potassium o sodium hydroxide. Tinutulungan ng alkali ang glucose na maging reactive deprotonated forms na nagbibigay ng mga electron sa dye:

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

Ang mabagal na hakbang na ito ang nagpapawala ng kulay habang nakatayo ang bote. Ang glucose ang sacrificial donor at nauubos. Ang dye ay tagapagdala lamang ng mga electron, kaya sapat ang ilang patak para sa isang buong bote. Sinasabi sa mas matatandang paliwanag sa klase na nagiging gluconic acid ang glucose. Nahuhulaan ng pinaikling paliwanag na iyon ang mga obserbasyon, ngunit dapat malaman ng mga instructor na hindi iyon kumpleto: isang mechanistic analysis na inilathala sa Royal Society Open Science ang sumusubaybay sa oxidation mula sa reactive enediolate hanggang sa isang dicarbonyl na nahahati sa mas maliliit na acid.

Binabaligtad ng pag-alog ang nakikitang resulta. Tinutunaw ng agitation sa likido ang oxygen mula sa nakakulong na hangin sa headspace, at muling ino-oxidise ng oxygen ang reduced dye:

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

Kapag pinabayaang nakatayo, nauubos ang dissolved oxygen, nire-reduce muli ng glucose ang dye, at kumukupas ang kulay. Sa maraming siklo, ang net chemistry ay oxidation ng sugar ng hangin, habang hindi nagbabago ang dye habang paulit-ulit itong umiikot bilang redox mediator. Isa itong mediator sa halip na mahigpit na catalyst, dahil nagpapatuloy ang sugar oxidation kahit wala ito, at ang pagkupas ay hindi decomposition: hindi maibabalik sa pag-alog ang dye na nasira na. Para mapanatiling stable ang dye stocks sa pagitan ng mga demonstrasyon, tingnan ang mga tala sa paghawak at pag-iimbak ng methylene blue solutions.

Pamamaraan para sa isang pinangangasiwaang demonstrasyon

Isa itong pinangangasiwaang demonstrasyon, hindi gawaing pambahay. Dahil sa alkali, kailangan ang proteksiyon sa mata, gloves, at isang instructor na responsable sa paghahanda at paglilinis. Magkapareho ang pangkalahatang balangkas ng dalawang dokumentadong formulation ngunit magkaiba ang scale.

Ang instruction sheet para sa demonstrasyong inilathala ng chemistry department ng Indiana University ay gumagamit ng humigit-kumulang 5 percent potassium hydroxide, 4 percent glucose, at 1 percent aqueous methylene blue. Magbuhos ng magkapantay na volume ng alkali at glucose solutions sa isang transparent na 250 or 500 millilitre bottle hanggang kalahati itong mapuno, at iwan ang natitira bilang air headspace. Magdagdag ng ilang patak ng dye, takpan, selyuhan ang seam, at hayaang nakatayo hanggang mawala ang asul. Ang pamamaraan ng Royal Society of Chemistry ay gumagamit ng parehong ideya sa isang 1 litre stoppered flask: 300 millilitres ng water, 10 grams ng glucose, 8 grams ng potassium hydroxide (o 6 grams ng sodium hydroxide), kasama ang ilang millilitres ng dilute dye stock.

Para isagawa ito, alugin nang malakas. Lumilitaw ang buong asul sa loob ng ilang segundo. Ibaba ang flask at sukatin ang oras ng pagkupas. Iniulat ng Royal Society of Chemistry ang higit sa dalawampung siklo bawat pagpuno. Huwag kailanman punuin ang bote hanggang sa labi: kung walang nakakulong na hangin, walang reserbang oxygen na maaaring matunaw.

Ano ang oobserbahan, at ano ang nagpapabago sa timing

Sukatin ang tatlong bagay: pag-alog hanggang maging ganap na asul (seconds), pagtayo hanggang maging walang kulay (up to a few minutes), at bilang ng mga siklo bago humina ang asul. Malapit sa pagtatapos ng bawat pagkupas, obserbahan ang surface. Madalas na nananatili ang manipis na asul na layer sa air interface, kung saan patuloy na nagdi-diffuse papasok ang oxygen. Ang linyang iyon ay diffusion na ginawang nakikita.

Sinusunod ng blue bottle reaction ang empirical rate law na iniulat kasama ng pamamaraan ng Royal Society of Chemistry: rate = k[MB oxidised][glucose]OH-. Ang bawat term ay maaaring gawing classroom experiment. Mas maraming glucose, alkali, o dye ang nagpapaikli sa blue period. Pinabibilis ng init ang pagkupas; nagiging mabagal ang malamig na flask. Mas maraming oxygen ang natutunaw kapag mas malakas ang pag-alog, kaya mas matagal nananatili ang asul. Pinahahaba ng mas malaking headspace ang run. Kapag humina na sa wakas ang mga siklo at nanilaw ang likido, ubos na ang sugar at naipon na ang side products. Ang endpoint na iyon ay isa ring resultang sulit itala.

Worksheet ng obserbasyon

Kopyahin ang table na ito sa mga notebook, isang row bawat trial. Ang worksheet na ito at ang reaction diagram sa itaas ang mga printable asset para sa artikulong ito.

Mga tanong sa prediction, sasagutin bago ang bawat trial:

• Asul ang bote kaagad pagkatapos alugin. Aling anyo ng dye ang nangingibabaw, at ano ang naglagay rito sa state na iyon?
• Nakatayo ang bote at kumukupas. Aling reaction ang nangingibabaw, at aling ingredient ang nauubos?
• Pagkatapos ng maraming siklo, nagiging maputla at madilaw ang asul. Ibalik ito gamit ang dye, alkali, o glucose, at bakit?
• Iguhit ang colour laban sa time para sa isang cycle. Markahan kung saan pumapasok ang oxygen sa solution.

Mga sagot ng instructor: (1) oxidised methylene blue, muling na-oxidise ng dissolved headspace oxygen; (2) reduction ng glucose, nauubos ang glucose; (3) glucose, ang limiting donor, dahil hindi nagbabago ang dye habang umiikot sa siklo; (4) matarik na pagtaas kapag inalog, unti-unting pagbaba habang nakatayo, at pagpasok ng oxygen sa panahon lamang ng pagtaas.

Malalapit na kaugnay na demonstrasyong dapat pangalanan

Pinapalitan ng traffic light demonstration ang dye ng indigo carmine at dumaraan sa yellow, red, at green habang tumataas ang oxygenation. Maluwag ang paggamit sa pangalang green bottle: kung minsan ay para sa variant na iyon, at kung minsan naman ay para sa mas berdeng formulations gaya ng ascorbic acid systems o isang enzymatic cycling system na inilarawan ng American Chemical Society. Pangalanan kung aling variant ang nasa mesa upang hindi paghaluin ng mga mag-aaral ang mga obserbasyon mula sa magkakaibang chemistry.

Kaligtasan at paghawak

Dapat may supervision sa buong proseso. Gumamit ng chemical splash eye protection at gloves kapag hinahawakan ang alkaline solution o inaalog ang stoppered vessel. Nakapapaso ang alkali, namamantsahan ng dye ang balat at tela, at ang dye stocks na inihanda sa ethanol ay nagdaragdag ng flammable solvent sa mesa. Panatilihing nakatakip ang vessel habang inaalog. Pagkatapos, itabi ang mga nagamit na solution para hawakan ayon sa sariling laboratory rules ng inyong institusyon. Magkakaiba ang mga requirement para sa alkaline waste na may dye sa bawat institusyon at jurisdiction, kaya sundin ang procedure ng inyong laboratory sa halip na kumuha ng isa mula sa ibang source.

Kung mga numero sa halip na pagbabago ng kulay ang kailangan mo, nagpapatuloy ang quantitative assays para sa methylene blue mula sa puntong nagtatapos ang demonstrasyong ito.

Bakit patuloy na ginagamit ng mga guro ang boteng ito

Pinagsisiksik ng isang flask ang apat na ideya. Ang redox ay nagiging kulay sa halip na isang definition. Ipinapakita ng mediator kung paano maaaring magsilbing indicator ang kaunting dami ng isang substance para sa malaking dami ng isa pa. Kitang-kita ang pagkakaiba ng kinetics at thermodynamics: nangingibabaw ang oxygen habang patuloy itong naibibigay ng pag-alog, at nangingibabaw ang glucose kapag huminto ang supply. At ang diffusion, ang pinakatahimik na proseso sa chemistry, ang nagbibigay-daan sa buong demonstrasyon, dahil nagsisimula ang bawat paglitaw ng asul sa paglipat ng oxygen mula sa hangin papunta sa tubig. Ang demonstrasyong nagbibigay-daan sa mga mag-aaral na hulaan, sukatin ang oras, at ipaliwanag ang lahat ng iyon gamit lamang ang stopwatch at table ay karapat-dapat sa espasyo nito sa laboratory bench.