Metilen mavisi ve permanganat difüzyonu: agar deneyi neyi gösterir?

Bir öğretmen agar plağında iki kuyu açar, birini mavi boyayla, diğerini mor çözeltiyle doldurur ve sınıftan gözlem yapmasını ister. Bir saat sonra mor halka daha geniştir. Öğrenciler, potasyum permanganatın daha hafif olduğu için metilen mavisinden daha hızlı difüze olduğunu yazar.

Bu cümlenin yarısı doğru, yarısı ise yanıltıcıdır; ilginç olan da yanıltıcı kısmıdır. Bu gösterim, örneğin şu agar difüzyonu laboratuvar alıştırmasında anlatılan standart bir difüzyon dersidir. Ancak öğrencilerin gördüğü, molekül ağırlığının doğrudan etkisi değildir. Gördükleri, görünür bir renk sınırının jel içindeki ilerleyişidir. Bu ilerleyişi iyon boyutu, hidratasyon, boyanın bağlanması, derişim, sıcaklık ve sınırın nasıl ölçüldüğü belirler.

Renk sınırı, difüzyon katsayısı değildir

Difüzyon, çözünmüş parçacıkların yüksek derişimli bölgeden düşük derişimli bölgeye yayılmasıdır. Genellikle D ile gösterilen difüzyon katsayısı, belirli bir çözünen maddenin belirli bir ortamda ve belirli bir sıcaklıkta ne kadar hızlı yayıldığını tanımlar.

Sınıfta kullanılan plak, D değerini doğrudan göstermez. Rengin görülemeyecek kadar soluklaştığı bir sınırı gösterir. Bu sınır, difüzyonun yanı sıra boyanın ışığı soğurma özelliğine, aydınlatmaya, kameranın pozlamasına, kuyuya konulan çözeltinin derişimine ve cetveli tutan kişinin değerlendirmesine bağlıdır.

Sınıfta ölçülen şeyi doğru adlandırın: görünür bir difüzyon cephesinin ilerleyişi. Kuramsal yaklaşımlar, Fick tipi difüzyon analizinde yer alan türden bağıntılarla ortalama karesel yer değiştirmeyi D ile ilişkilendirir. Ancak D değerini eğri uydurarak belirlemek için dersin sonunda ölçülen tek bir çap değil, zaman içindeki derişim profilleri gerekir. Yayımlanmış bir sınıf çalışmasında, son leke boyutlarını karşılaştırmak yerine mesafenin karesini zamana karşı çizerek jelde metilen mavisi için yaklaşık 4.5 çarpı 10^-10 m^2/s değerinde bir difüzyon katsayısı elde edilmiştir. Tek bir anlık görüntü bunu sağlayamaz.

Gösterimin temelinde bu kavram vardır; geri kalan her şey, plağın bu kavramı ne kadar doğru temsil ettiğine ilişkin ayrıntılardır.

İki molekül değil, iki renkli iyon

Çözünen maddelerin hiçbiri agarda şişenin üzerinde yazan formülün temsil ettiği bütün hâlinde ilerlemez. İkisi de suda iyonlarına ayrışan güçlü elektrolitlerdir.

Potasyum permanganat (KMnO4, formül kütlesi yaklaşık 158.03 g/mol), potasyum iyonlarına ve permanganat iyonlarına ayrılır. İlerleyen mor tür, bir su kabuğuyla çevrili, kütlesi yaklaşık 118.94 g/mol olan permanganat iyonu MnO4^- türüdür. Metilen mavisi klorür (susuz tuz C16H18ClN3S, yaklaşık 319.85 g/mol), klorür iyonuna ve yine hidratlanmış, kütlesi yaklaşık 284.41 g/mol olan mavi organik katyon MB^+ türüne ayrılır. NIST metilen mavisi kaydı ve ChEBI metilen mavisi kaydı bu biçimleri belgelendirir. Kimya ve yapı başvuru yazısı ise katyonun, susuz tuzun ve hidratların neden ayrı adlarla anılması gerektiğini açıklar.

Bundan üç sonuç çıkar.

Birincisi, 158 ile 320 değerlerini karşılaştırmak renkli iyonlar arasındaki gerçek boyut farkını olduğundan küçük gösterir. Çünkü yaklaşık 119 g/mol olan mor tür, yaklaşık 284 g/mol olan mavi katyondan çok daha küçüktür ve her ikisinin de etkin boyutunu artıran hidratasyon kabukları vardır.

İkincisi, metilen mavisi katyonları yüzeylere tutunur. Derişim arttıkça dimerler ve daha büyük agregatlar oluşturur ve agara adsorbe olur. Agar adsorpsiyonu çalışmalarında hem monomerin hem de dimerin bağlandığı bildirilmiştir. Adsorbe olan boya yerinde kalır. Cepheyi ilerletmeden jeli renklendirir.

Üçüncüsü, yaygın olarak kullanılan reaktif tozu bir hidrattır; dolayısıyla tartılan bir gramın içinde kristal yapısına bağlı su da bulunur. Trihidrat ile susuz biçimin karşılaştırması, bunun molariteyi nasıl değiştirdiğini gösterir. Sınıfta adil bir karşılaştırma yapmak için tuzların molar derişimleri eşit olan çözeltiler hazırlayın ve hangi katı biçimin kullanıldığını kaydedin.

Burada daha hafif olmak neden daha hızlı olmak anlamına gelmez?

Seyreltik sıvı çözeltilerde, başlangıç için kütleden daha iyi bir model Stokes-Einstein yaklaşımıdır. Bu yaklaşımda difüzyon katsayısı, sıcaklığın viskozite ile hidrodinamik yarıçapın çarpımına oranıyla ölçeklenir. Hidratlanmış boyutu daha küçük olan daha hızlı yayılır. Aynı kimyasal aile içinde daha düşük kütle çoğu zaman daha küçük boyutla ilişkili olduğundan, hafiflik bir açıklama gibi görünebilir. Bu bir korelasyondur, mekanizma değildir.

Gazların efüzyon hızlarının molar kütlenin karekökünün tersiyle ölçeklendiğini söyleyen Graham yasası, bu plakta geçerli değildir. Bu yasanın türetimi gazların kinetik teorisine dayanır; teori, şu OpenStax gazların efüzyonu ve difüzyonu açıklamasında özetlenmiştir. Sıvılarda viskoz sürüklenme, hidratasyon, şekil etkileri ve parçacık kalabalıklığı devreye girer. Jellerde bunlara gözenek yapısı, yolların dolambaçlılığı, adsorpsiyon ve polimerle elektriksel yük etkileşimleri eklenir.

Sayılar aradaki farkı ortaya koyar. Graham yasası 158 ve 320 değerlerine uygulandığında yaklaşık 1.42 değerinde bir hız oranı öngörür. Suda seyreltik koşullarda ölçülen difüzyon katsayıları ise farklı bir sonuç verir: permanganat için yaklaşık 1.6 ile 1.8 çarpı 10^-9 m^2/s, metilen mavisi için yaklaşık 4.5 ile 5 çarpı 10^-10 m^2/s. Bu, 3 veya 4 değerine daha yakın bir orandır. Kütle tek başına bu oranı açıklayamaz. Kalan farkı hidratlanmış boyut, agregasyon ve jele bağlanma açıklar.

Daha hafif olanın daha hızlı yayıldığı düşüncesini, varsayımları olan bir model olarak ele alın: küresel parçacıklar, bağlanmanın olmaması, agregasyonun olmaması ve aynı koşullar. Plak, bu varsayımlardan en az ikisini ihlal eder.

Adil bir karşılaştırma nasıl yapılır?

Gösterim, yazılımın aksadığı biçimde aksar: temel fikir doğrudur, ancak fikirden ölçüme geçiş tuzaklarla doludur. Bunların her biri, herhangi bir moleküler özelliği değiştirmeden sonucu değiştirir.

Tek bir agar hazırlama partisinden aynı kalınlıkta plaklar dökün; tek bir kuyu açma aparatı, eşit sıvı hacimleri ve eşit molar derişimler kullanın. Metilen mavisinin agregasyonunu sınırlamak ve rengin doygunluğa ulaşmasını önlemek için derişimleri yeterince düşük tutun. Her çözünen madde için en az üç tekrarlı kuyu açın ve bunları cephelerin hiçbir zaman birleşmeyeceği aralıklarla yerleştirin. Kapları örtün, düz tutun ve sıcaklığı sabit tutun; çünkü agarda boya çalışmalarında güçlü bir sıcaklık ve derişim bağımlılığı görülür. Sıfır zamanını doldurma anı olarak belirleyin ve ölçümden önce sınırı tanımlayın: mavi ve mor renklerin görsel algılanma sınırları farklı olduğundan, fotoğrafta sabit bir eşik kullanmak göz kararı belirlenen sınırdan daha iyidir. Her leke için birbirine dik iki çap kaydedin ve bunları ortalama yarıçapa dönüştürün. Yarıçap ile çapı karıştırmak, mesafenin karesinin kullanıldığı her grafikte dört katlık bir hataya yol açar.

Etiketler: sol panel, üstten görünümde her cephe için kuyu kenarından renk sınırına kadar ölçülen yarıçapı gösterir; sağ panel, kuyu derinliği ve dışa doğru uzanan gradyan haleleriyle agarın kesitini gösterir; açıklama kutusunda kontrol altında tutulan değişkenler listelenir (agar yüzdesi, kalınlık, boya molaritesi, hacim, kuyu boyutu, sıcaklık, sıfır zamanı, aydınlatma).

Yanıltıcı görünümlere dikkat edin. Agar yüzeyine taşan sıvı, hızlı difüzyon gibi görünür ve küçük agar kuyularında belgelenmiş bir deney artefaktıdır. Permanganat güçlü bir oksitleyicidir ve eser miktardaki organik maddelerle tepkimeye girerek tüketilebilir; bu da cephesini durdurur veya rengini giderir. Metilen mavisi redoks tepkimelerine katılır ve ışık altında ya da indirgeyici koşullarda rengi solabilir. Metilen mavisinin redoks kimyası ve renksiz indirgenmiş biçimi bu davranışı açıklar.

Çözücüyle ilgili kısa bir not: standart gösterimde her iki kuyudaki çözelti de suludur. Bir protokolde çözücü değiştirilirse önce çözünürlük ve çözelti hazırlama rehberine bakın; çünkü çözünürlük ve agregasyon ortama göre değişir.

Sınıf gözlem çalışma kâğıdı

Bu tabloyu defterlere kopyalayın veya her kuyu için bir satır yazdırın. Her kap için ayrı bir tablo kullanmak, tekrarların doğru kaydedilmesini sağlar.

Analiz için her kuyunun ortalama yarıçapının karesini geçen süreye karşı çizin ve eğimleri karşılaştırın; sınırın tanımını da grafiğin yanında belirtin. Altı eğrinin tamamı aralarındaki dağılımla birlikte gösterilirse öğrenciler değişkenliği utanılacak bir durum olarak değil, veri olarak görür.

Güvenlik protokolün bir parçasıdır: metilen mavisi cildi ve giysileri boyadığı, permanganat ise leke bırakan ve tahriş eden bir oksitleyici olduğu için eldiven ve göz koruması kullanın. Çözeltileri ağzınıza götürmeyin, bir tepsi üzerinde çalışın ve plaklarla sıvıları lavaboya dökmek yerine okulun kimyasal atık toplama sistemi üzerinden bertaraf edin.

Yazmaya değer cümle

Bu agar, derişim ve sıcaklık koşullarında, görünür permanganat cephesi genellikle metilen mavisi cephesinden daha hızlı yayılır. Bu gözlem, permanganatın etkin difüzyon katsayısının daha büyük olmasıyla tutarlıdır. Bunun başlıca nedeni, hidratlanmış iyonunun çok daha küçük olması ve metilen mavisi gibi agregat oluşturmaması veya agara bağlanmamasıdır. Burada molekül kütlesi bu boyut farkıyla ilişkilidir, ancak sıvılarda veya jellerde difüzyon hızlarını kütle tek başına belirlemez.

Bu cümleyi yazan bir sınıf iki şey öğrenmiştir: iki renkli iyonla ilgili bir olgu ve bir gösterimin anlatıyor gibi göründüğü şeye güvenmeden önce neyi ölçtüğünü sorgulama alışkanlığı.