Метилен зәңгәрлеге һәм перманганат диффузиясе: агар тәҗрибәсе нәрсә күрсәтә

Укытучы агар пластинасында ике чокырчык кисеп ясый, берсенә зәңгәр буягыч, икенчесенә шәмәхә эремә сала һәм сыйныфка күзәтергә куша. Бер сәгатьтән соң шәмәхә боҗра киңрәк була. Укучылар калий перманганаты метилен зәңгәрлегенә караганда тизрәк диффузияләнә, чөнки ул җиңелрәк, дип язып куя.

Бу җөмлә яртылаш дөрес, яртылаш ялгыш фикергә этәрә, һәм нәкъ менә икенче яртысы кызыклы. Бу — диффузияне өйрәнү өчен гадәти күрсәтмә тәҗрибә; ул, мәсәлән, шушы агарда диффузия буенча лаборатория эшендә тасвирлана. Ләкин укучылар күргән нәрсә молекуляр массаның тәэсире генә түгел. Алар гель буйлап күренеп торган төс чигенең хәрәкәтен күзәтә; бу хәрәкәткә ион зурлыгы, гидратация, буягычның бәйләнүе, концентрация, температура һәм чикне үлчәү ысулы йогынты ясый.

Төс чиге диффузия коэффициенты түгел

Диффузия — эретелгән кисәкчекләрнең югары концентрацияле өлкәдән түбән концентрацияле өлкәгә таралуы. Гадәттә D дип билгеләнә торган диффузия коэффициенты билгеле бер эретелгән матдәнең билгеле мохиттә һәм температурада никадәр тиз таралуын тасвирлый.

Дәрестәге пластина D ны турыдан-туры күрсәтми. Ул төс күзгә күренмәслек дәрәҗәдә тоныклана торган чикне күрсәтә. Бу чик диффузиянең үзенә генә түгел, буягычның яктылыкны йоту сәләтенә, яктыртуга, камера экспозициясенә, чокырчыкка салынган эремәнең концентрациясенә һәм линейка тоткан кешенең бәяләвенә дә бәйле.

Дәрестә үлчәнгән күрсәткечне үз исеме белән атагыз: күренеп торган диффузия фронтының хәрәкәте. Формаль аңлатмалар уртача квадрат күчешне D белән Фик диффузиясен анализлауда очрый торган рәвештәге бәйләнешләр аша бәйли. Ләкин D ны исәпләп табу өчен дәрес ахырында бер генә диаметрны үлчәү түгел, ә концентрациянең вакыт дәвамында ничек таралуын белү кирәк. Басылып чыккан бер уку тикшеренүендә метилен зәңгәрлегенең гельдәге диффузия коэффициенты якынча 4.5 × 10^-10 m^2/s дип табылган: моның өчен соңгы тап зурлыкларын чагыштырмаганнар, ә ераклык квадратының вакытка бәйлелек графигын төзегәннәр. Бер генә мизгелдә алынган сурәт моны эшли алмый.

Тәҗрибәнең төп идеясе шуннан гыйбарәт; калган бар нәрсә пластинаның бу идеяне ни дәрәҗәдә дөрес чагылдыруына кагыла.

Ике молекула түгел, ике төсле ион

Эретелгән матдәләрнең берсе дә агар аша шешәдә язылган формула рәвешендә хәрәкәт итми. Икесе дә суда диссоциацияләнә торган көчле электролитлар.

Калий перманганаты (KMnO4, формула массасы якынча 158.03 g/mol) калий ионнарына һәм перманганат ионнарына таркала. Шәмәхә төсне алып баручы — су молекулалары тышчасы белән әйләндереп алынган MnO4^- перманганат ионы; аның массасы якынча 118.94 g/mol. Метилен зәңгәрлеге хлориды (сусыз тоз C16H18ClN3S, якынча 319.85 g/mol) хлоридка һәм зәңгәр органик MB^+ катионына таркала; катионның массасы якынча 284.41 g/mol, һәм ул да гидратланган. NIST базасындагы метилен зәңгәрлеге язмасы һәм ChEBI базасындагы метилен зәңгәрлеге язмасы бу формаларны тасвирлый, ә химия һәм төзелеш турында белешмә ни өчен катионга, сусыз тозга һәм гидратларга аерым атамалар кирәклеген аңлата.

Моннан өч нәтиҗә килеп чыга.

Беренчедән, 158 белән 320 не чагыштыру төсле ионнар арасындагы чын зурлык аермасын киметеп күрсәтә: массасы якынча 119 g/mol булган шәмәхә ион массасы якынча 284 g/mol булган зәңгәр катионнан күпкә кечерәк. Өстәвенә, икесенең дә нәтиҗәле зурлыгын арттыра торган гидратация тышчалары бар.

Икенчедән, метилен зәңгәрлеге катионнары төрле өслекләргә ябыша. Концентрация арткан саен алар димерлар һәм эрерәк агрегатлар барлыкка китерә, шулай ук агарда адсорбцияләнә. Агардагы адсорбция тикшеренүләрендә мономерның да, димерның да бәйләнүе теркәлгән. Адсорбцияләнгән буягыч урынында кала. Ул гельгә төс бирә, ләкин фронтны алга күчерми.

Өченчедән, гадәти реактив порошогы — гидрат, шуңа күрә үлчәп алынган бер граммда кристалл составындагы су да бар. Тригидрат белән сусыз форманы чагыштыру моның моляр концентрацияне ничек үзгәртүен күрсәтә. Дәрестә гадел чагыштыру өчен тозларның моляр концентрацияләре тигез булган эремәләр әзерләгез һәм нинди каты форма кулланылганын язып куегыз.

Ни өчен монда җиңелрәк булу тизрәк булуны аңлатмый

Сыекландырылган эремәләрдә башлангыч модель буларак массага таянудан Стокс–Эйнштейн моделе яхшырак. Анда диффузия коэффициенты температураның үзлелек белән гидродинамик радиус тапкырчыгышына бүленгән зурлыгына пропорциональ. Гидратланган зурлыгы кечерәк булган кисәкчек өстенлек ала. Бер химик төркем эчендә кечерәк масса еш кына кечерәк зурлык белән бәйле, шуңа күрә җиңелрәк булу аңлатма кебек күренергә мөмкин. Ләкин бу — бәйләнеш кенә, механизм түгел.

Газларның кечкенә тишек аша чыгу тизлеге моляр массаның квадрат тамырына кире пропорциональ дип белдерүче Грэм кануны бу пластинадагы процессны билгеләми. Аның чыгарылышы газларның кинетик теориясенә карый; бу теория OpenStaxның газлар эффузиясе һәм диффузиясе турындагы бүлегендә кыскача аңлатыла. Сыеклыкларда үзле каршылык, гидратация, форма тәэсире һәм кисәкчекләрнең тыгыз урнашуы да роль уйный. Гельләрдә боларга күзәнәкләр төзелеше, хәрәкәт юлының бормалылыгы, адсорбция һәм полимер белән электр корылмалары аша тәэсир итешү өстәлә.

Саннар бу аерманы ачык күрсәтә. Грэм канунын 158 белән 320 гә кулланганда тизлекләр нисбәте якынча 1.42 булырга тиеш. Судагы сыекландырылган эремәләрдә үлчәнгән диффузия коэффициентлары башка нәтиҗә бирә: перманганат өчен якынча 1.6–1.8 × 10^-9 m^2/s, метилен зәңгәрлеге өчен якынча 4.5–5 × 10^-10 m^2/s, ягъни нисбәт 3 яки 4 кә якынрак. Масса гына мондый нисбәтне аңлата алмый. Калган аерманы гидратланган зурлык, агрегатлашу һәм гельгә бәйләнү аңлата.

Җиңелрәк булса, тизрәк дигән фикерне билгеле фаразларга таянган модель итеп карагыз: кисәкчекләр шарсыман, бәйләнү юк, агрегатлашу юк, шартлар бертөрле. Пластинада бу фаразларның кимендә икесе үтәлми.

Гадел чагыштыруны ничек үткәрергә

Бу күрсәтмә тәҗрибәдәге хаталар программа тәэминатындагы хаталарга охшаш: төп идея дөрес, ләкин идеяне үлчәүгә күчерү юлы тозаклар белән тулы. Түбәндәгеләрнең һәрберсе молекуляр үзлекләрне үзгәртмичә генә нәтиҗәне үзгәртә.

Бер үк партиядәге агарны бер үк калынлыкта салыгыз, чокырчыкларны бер үк кискеч белән ясагыз, сыеклык күләмнәрен һәм моляр концентрацияләрне тигез тотыгыз. Метилен зәңгәрлегенең агрегатлашуын чикләү һәм төс артык куе булмасын өчен концентрацияләр җитәрлек түбән булырга тиеш. Һәр эретелгән матдә өчен кимендә өч кабатлау чокырчыгы ясагыз; аларны фронтлар беркайчан да очрашмаслык итеп урнаштырыгыз. Савытларны каплагыз, тигез тотыгыз һәм температураны даими саклагыз: агардагы буягычларны өйрәнү эшләре температурага һәм концентрациягә көчле бәйлелекне күрсәтә. Вакытның башлангыч мизгеле итеп чокырчыкны тутыру мизгелен алыгыз, ә үлчәү алдыннан чикнең ничек билгеләнәчәген аныклагыз: фотосурәттә алдан билгеләнгән чик дәрәҗәсе күз белән чамаланган чиктән яхшырак, чөнки зәңгәр һәм шәмәхә төсләрнең күзгә күренү чикләре төрле. Һәр тапның үзара перпендикуляр ике диаметрын язып алыгыз һәм уртача радиусны исәпләгез: радиус белән диаметрны бутау ераклык квадраты графигындагы кыйммәтләрне дүрт тапкыр үзгәртә.

Билгеләр: сул панельдә һәр фронт өчен чокырчык читеннән төс чигенә кадәр өстән карап үлчәнгән радиус күрсәтелгән; уң панельдә чокырчык тирәнлеге һәм тышка таба кимүче концентрация боҗралары белән агарның аркылы кисеме күрсәтелгән; шартлы билгеләрдә контрольдә тотыла торган үзгәрешлеләр санала (агар проценты, калынлык, буягычның моляр концентрациясе, күләм, чокырчык зурлыгы, температура, вакытның башлангыч мизгеле, яктырту).

Диффузиягә охшаган башка күренешләргә игътибар итегез. Агар өслегенә түгелгән сыеклык тиз диффузия кебек күренә; бу кечкенә агар чокырчыкларына хас теркәлгән артефакт. Перманганат — көчле оксидлаштыргыч, һәм ул органик матдәләрнең эз күләмендәге калдыклары белән реакциядә тотылырга мөмкин; бу аның фронтын туктата яки төссезләндерә. Метилен зәңгәрлеге оксидлашу-кайтарылу реакцияләрендә актив һәм яктылыкта яки кайтаручы шартларда төсен югалтырга мөмкин; метилен зәңгәрлегенең һәм аның төссез кайтарылган формасының оксидлашу-кайтарылу химиясе бу үз-үзен тотышны аңлата.

Эреткеч турында кыска искәрмә: гадәти тәҗрибәдә ике чокырчыктагы эремәләр дә су нигезендә. Әгәр берәр протоколда эреткеч үзгәртелсә, башта эрүчәнлек һәм эремә әзерләү кулланмасын карагыз, чөнки эрүчәнлек һәм агрегатлашу мохиткә бәйле рәвештә үзгәрә.

Дәрестә күзәтүләрне теркәү таблицасы

Бу таблицаны дәфтәрләргә күчерегез яки һәр чокырчык өчен бер юл бастырыгыз. Һәр савыт өчен аерым таблица кабатлауларны дөрес исәпкә алырга ярдәм итә.

Анализ өчен һәр чокырчыктагы уртача радиус квадратының үткән вакытка бәйлелек графигын төзегез һәм графикларның авышлыкларын чагыштырыгыз; график янында чикнең ничек билгеләнгәнен дә күрсәтегез. Алты кәкренең барысы да, алар арасындагы аермалар белән бергә күрсәтелсә, укучылар үзгәрүчәнлекне уңайсызлык түгел, ә мәгълүмат итеп күрә.

Куркынычсызлык — протоколның бер өлеше: перчаткалар һәм күзне саклау чаралары киегез, чөнки метилен зәңгәрлеге тирене һәм киемне буйый, ә перманганат — тап калдыра һәм ярсыту китерә торган оксидлаштыргыч. Эремәләрне авызга эләктермәгез, поднос өстендә эшләгез, пластиналарны һәм сыеклыкларны раковинага түгел, ә мәктәптәге химик калдыкларны утильләштерү тәртибе буенча тапшырыгыз.

Язып куярга лаеклы җөмлә

Агар, концентрация һәм температураның шушы шартларында күренеп торган перманганат фронты гадәттә метилен зәңгәрлеге фронтына караганда тизрәк тарала. Бу перманганатның нәтиҗәле диффузия коэффициенты зуррак булуына туры килә; моның төп сәбәбе — аның гидратланган ионы күпкә кечерәк һәм ул метилен зәңгәрлеге кебек агрегатлашмый һәм агарга бәйләнми. Монда молекуляр масса зурлык аермасы белән бәйле, ләкин сыеклыкларда яки гельләрдә диффузия тизлеген масса гына билгеләми.

Бу җөмләне язган сыйныф ике нәрсә өйрәнгән була: ике төсле ион турында бер факт һәм күрсәтмә тәҗрибәнең әйтергә теләгәненә ышанганчы, аның нәрсәне үлчәвен сорау гадәте.