Mavi şişe deneyi: kimya, prosedür ve gözlemler

Tezgâhın üzerinde berrak bir şişe durur. Su gibi görünür. Biri şişeyi çalkalar ve sıvı canlı bir maviye dönüşür. Şişe bırakıldığında mavi renk bir veya iki dakika içinde kaybolur. Tekrar çalkalayınca mavi geri gelir. Tek bir dolumla bu işlem yirmi kez veya daha fazla tekrarlanabilir.

Öğrenciler genellikle şişede bir şeyin gizlendiğini veya çalkalamanın iki katmanı birbirine karıştırdığını tahmin eder. Her iki tahmin de öğretici biçimde yanlıştır. Renk, sıvının tamamında bulunan tek bir boyadan, metilen mavisinden gelir. Değişen şey boyanın taşıdığı elektron sayısıdır. Gösteri, görünür hâle getirilmiş bir redoks döngüsüdür ve sınıfın görebildiği her değişken, çalkalama süresi, sıcaklık, derişim, kimyadaki bir terime karşılık gelir.

Aynı boyanın iki formu

Oksitlenmiş metilen mavisi düz, pozitif yüklü bir halka sistemidir. 600 ila 700 nanometre civarında güçlü biçimde soğurur ve göz bunu koyu mavi olarak algılar. İki form ve bunların spektrumları metilen mavisinin yapısı ve özellikleri rehberinde ele alınmaktadır.

İndirgenme iki elektron ve bir proton ekleyerek yüksüz, düzlemsel olmayan ve pratikte renksiz lökometilen mavisini oluşturur. Alkali çözeltide yarı reaksiyon MB+ + H2O + 2 e- ⇌ LMB + OH- şeklindedir. Bu adım tamamen tersinirdir. Mavi, oksitlenmiş; renksiz ise indirgenmiş form anlamına gelir ve izlenecek üçüncü bir durum yoktur. Bu da deneyi redoks kimyasıyla ilk karşılaşma için temiz ve anlaşılır hâle getirir.

Döngü: glikoz indirger, oksijen yeniden oksitler

Şişede çalışan üç bileşen bulunur: metilen mavisi, glikoz ve güçlü bir alkali olan potasyum veya sodyum hidroksit. Alkali, glikozun boyaya elektron verebilen reaktif, protonsuzlaştırılmış formlara dönüşmesini destekler:

indirgeyici şeker + MB (mavi, oksitlenmiş) -> oksitlenmiş şeker ürünleri + LMB (renksiz)

Bu yavaş adım, şişe beklerken rengin kaybolmasını sağlar. Glikoz kurban elektron vericisidir ve tüketilir. Boya yalnızca elektronları taşır, bu nedenle birkaç damla bütün bir şişe için yeterlidir. Eski sınıf açıklamalarında glikozun glukonik aside dönüştüğü söylenir. Bu kısa açıklama gözlemleri öngörür, ancak eğitmenler bunun eksik olduğunu bilmelidir: Royal Society Open Science'ta yayımlanan mekanistik bir analiz oksidasyonun reaktif bir enediolat üzerinden, daha küçük asitlere parçalanan bir dikarbonile ilerlediğini göstermektedir.

Çalkalama görünür sonucu tersine çevirir. Hareket, hapsolmuş üst boşluktaki havadan oksijenin çözünmesini sağlar ve oksijen indirgenmiş boyayı yeniden oksitler:

LMB (renksiz) + O2 -> MB (mavi) + indirgenmiş oksijen ürünleri

Bekletildiğinde çözünmüş oksijen tükenir, glikoz boyayı tekrar indirger ve renk solar. Çok sayıda döngü boyunca net kimyasal süreç, boyanın bir redoks aracısı olarak değişmeden döngüye girmesi eşliğinde şekerin hava tarafından oksitlenmesidir. Bu nedenle boya tam anlamıyla bir katalizörden ziyade bir aracıdır; çünkü şeker oksidasyonu boya olmadan da ilerler ve solma ayrışma değildir: bozunmuş bir boya çalkalamayla yeniden canlandırılamaz. Gösteriler arasında boya stoklarını kararlı tutmak için metilen mavisi çözeltilerinin kullanımı ve saklanmasına ilişkin notlara bakın.

Gözetimli gösteri prosedürü

Bu, evde yapılacak bir etkinlik değil, gözetimli bir gösteridir. Alkali kullanımı göz koruması, eldiven ve hazırlık ile temizliğin sorumluluğunu üstlenen bir eğitmen gerektirir. Belgelenmiş iki formülasyon aynı yapıda olup ölçek bakımından farklıdır.

Indiana University kimya bölümü tarafından yayımlanan gösterinin talimat sayfasında yaklaşık yüzde 5 potasyum hidroksit, yüzde 4 glikoz ve yüzde 1 sulu metilen mavisi kullanılır. Eşit hacimlerde alkali ve glikoz çözeltilerini şeffaf bir 250 veya 500 mililitrelik şişeye yarısına kadar dökün ve kalan kısmı hava üst boşluğu olarak bırakın. Birkaç damla boya ekleyin, kapağı kapatın, birleşim yerini sızdırmaz hâle getirin ve mavi renk kaybolana kadar bekletin. Royal Society of Chemistry prosedürü aynı fikri 1 litrelik tıpalı bir balona ölçekler: 300 mililitre su, 10 gram glikoz, 8 gram potasyum hidroksit (veya 6 gram sodyum hidroksit) ve birkaç mililitre seyreltik boya stok çözeltisi.

Uygulamak için kuvvetlice çalkalayın. Tam mavi renk birkaç saniye içinde gelişir. Balonu bırakın ve rengin solma süresini ölçün. Royal Society of Chemistry, tek dolum başına yirmiden fazla döngü bildirmektedir. Şişeyi asla ağzına kadar doldurmayın: hapsolmuş hava olmadan çözünebilecek bir oksijen rezervi bulunmaz.

Neler gözlemlenmeli ve zamanlamayı neler değiştirir

Üç şeyi zamanlayın: tam maviye ulaşmak için çalkalama süresi (saniye), renksiz hâle gelmek için bekleme süresi (birkaç dakikaya kadar) ve mavi zayıflamadan önceki döngü sayısı. Her solmanın sonuna doğru yüzeyi izleyin. Oksijenin içeri difüzyonunun devam ettiği hava arayüzünde ince bir mavi tabaka çoğu zaman bir süre daha kalır. Bu çizgi, görünür hâle gelmiş difüzyondur.

Mavi şişe reaksiyonu, Royal Society of Chemistry prosedürüyle birlikte bildirilen ampirik hız yasasına uyar: rate = k[MB oxidised][glucose]OH-. Her terim sınıfta ayrı bir deney konusu olabilir. Daha fazla glikoz, alkali veya boya mavi kalma süresini kısaltır. Isı solmayı hızlandırır; soğuk bir balon daha yavaş tepki verir. Daha kuvvetli çalkalama daha fazla oksijen çözer, dolayısıyla mavi daha uzun sürer. Daha büyük bir üst boşluk deney süresini uzatır. Döngüler sonunda zayıfladığında ve sıvı sarardığında şeker tükenmiş ve yan ürünler birikmiştir. Bu son nokta da kaydedilmeye değer bir sonuçtur.

Gözlem çalışma sayfası

Bu tabloyu defterlere kopyalayın; her deneme için bir satır kullanın. Bu çalışma sayfası ve yukarıdaki reaksiyon diyagramı, bu makalenin yazdırılabilir materyalleridir.

Her denemeden önce yanıtlanacak tahmin soruları:

• Şişe çalkalandıktan hemen sonra mavidir. Hangi boya formu baskındır ve onu bu hâle ne getirmiştir?
• Şişe bekler ve rengi solar. Hangi reaksiyon baskındır ve hangi bileşen tüketilir?
• Çok sayıda döngüden sonra mavi renk soluk ve sarımsı hâle gelir. Boya, alkali veya glikoz ekleyerek mi yeniden canlandırırsınız ve neden?
• Bir döngü için zamana karşı renk grafiği çizin. Oksijenin çözeltiye nerede girdiğini işaretleyin. Eğitmen yanıtları: (1) oksitlenmiş metilen mavisi, çözünmüş üst boşluk oksijeni tarafından yeniden oksitlenmiştir; (2) glikoz tarafından indirgenme, glikoz tüketilir; (3) boya değişmeden döngüye girdiği için sınırlayıcı verici olan glikoz; (4) çalkalamada keskin yükseliş, beklemede kademeli düşüş, oksijen girişi yalnızca yükseliş sırasında.

Adı bilinmesi gereken yakın akrabalar

Trafik ışığı gösterisinde indigo karmin kullanılır ve oksijenlenmeyle sarı, kırmızı ve yeşil aşamalarından geçilir. Yeşil şişe adı gevşek biçimde kullanılır: bazen bu varyant için, bazen askorbik asit sistemleri veya American Chemical Society tarafından açıklanan enzimatik bir döngü sistemi gibi daha yeşil formülasyonlar için. Öğrencilerin farklı kimyalardaki gözlemleri birbirine karıştırmaması için tezgâhta hangi varyant varsa onun adını kullanın.

Güvenlik ve kullanım

Süreç boyunca gözetim gereklidir. Alkali çözeltiyi kullanırken veya tıpalı kabı çalkalarken kimyasal sıçramalara karşı göz koruması ve eldiven kullanılmalıdır. Alkali yanıklara neden olur, boya cildi ve kumaşı lekeler ve etanol içinde hazırlanmış boya stokları tezgâha yanıcı bir çözücü ekler. Çalkalama sırasında kabı tıpalı tutun. Sonrasında kullanılmış çözeltileri kurumunuzun kendi laboratuvar kurallarına göre işlem görmek üzere muhafaza edin. Alkali ve boya içeren atıklara ilişkin gereklilikler kurumlar ve yetki alanları arasında farklılık gösterir; bu nedenle başka bir kaynaktaki prosedürü aktarmak yerine laboratuvarınızın benimsediği prosedürü izleyin.

Renk değişimleri yerine sayısal sonuçlar istiyorsanız, metilen mavisi için nicel analizler bu gösterinin bıraktığı yerden devam eder.

Öğretmenler bu şişeyi neden kullanmaya devam ediyor

Tek bir balon dört fikri bir araya getirir. Redoks, bir tanım olmaktan çıkıp renge dönüşür. Bir aracı, eser miktardaki bir maddenin başka bir maddenin büyük miktarı hakkında nasıl bilgi verdiğini gösterir. Kinetik ile termodinamik görünür biçimde ayrılır: çalkalama oksijen sağladığı sürece oksijen baskın gelir, besleme durduğunda glikoz baskın gelir. Kimyadaki en sessiz süreç olan difüzyon ise bütün gösteriyi mümkün kılar; çünkü her mavi parıltı oksijenin havadan suya geçmesiyle başlar. Öğrencilerin bütün bunları bir kronometre ve bir tabloyla tahmin etmesini, zamanlamasını ve açıklamasını sağlayan bir gösteri, laboratuvar tezgâhındaki yerini hak eder.