Зәңгәр шешә тәҗрибәсе: химиясе, үткәрү тәртибе һәм күзәтүләр

Өстәлдә үтә күренмәле шешә тора. Ул су кебек күренә. Кемдер аны селкетә, һәм сыеклык ачык зәңгәр төскә керә. Куйгач, зәңгәр төс бер-ике минут эчендә юкка чыга. Кабат селкетсәң, зәңгәр төс яңадан кайта. Бер тутыру белән моны егерме тапкыр яки күбрәк кабатларга мөмкин.

Укучылар гадәттә шешә эчендә нидер яшерелгән булган яки селкетү ике катламны кушкан дип фаразлый. Ике фараз да файдалы рәвештә ялгыш булып чыга. Төс бөтен сыеклыкта булган бер генә буягычтан — метилен зәңгәрдән — килә. Үзгәрә торганы — буягычның ничә электрон йөртүе. Бу демонстрация күзгә күренерлек ителгән оксидлашу-кайтарылу циклы, һәм сыйныф күзәтә ала торган һәр үзгәреш — селкетү вакыты, температура, концентрация — химиядәге аерым бер факторга туры килә.

Бер үк буягычның ике формасы

Оксидлашкан метилен зәңгәр — яссы, уңай корылмалы боҗра системасы. Ул 600 to 700 nanometres тирәсендәге яктылыкны көчле йота, һәм күз моны куе зәңгәр төс итеп күрә. Ике форма һәм аларның спектрлары метилен зәңгәрнең төзелеше һәм үзлекләре турында кулланмада карала.

Кайтарылу ике электрон һәм бер протон өсти, нәтиҗәдә лейкометилен зәңгәр барлыкка килә: корылмасыз, яссы булмаган һәм гамәлдә төссез форма. Селтеле эремәдә ярымреакция болай языла: MB+ + H2O + 2 e- ⇌ LMB + OH-. Бу адым тулысынча кире кайтарылучан. Зәңгәр төс — оксидлашкан форманы, төссезлек — кайтарылган форманы аңлата; күзәтергә кирәк булган өченче халәт юк. Шуңа күрә бу оксидлашу-кайтарылу химиясе белән беренче танышу өчен аеруча чиста мисал.

Цикл: глюкоза кайтара, кислород яңадан оксидлаштыра

Шешәдә өч эшләүче компонент бар: метилен зәңгәр, глюкоза һәм көчле селте — калий яки натрий гидроксиды. Селте глюкозаны буягычка электроннар бирә торган реактив депротонлашкан формаларга күчүгә ярдәм итә:

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

Бу акрын адым шешә тыныч торганда төсне юкка чыгара. Глюкоза тотыла торган электрон доноры булып хезмәт итә һәм реакция барышында сарыф ителә. Буягыч электроннарны гына күчереп йөри, шуңа күрә бер бөтен шешә өчен берничә тамчы җитә. Иске дәреслек аңлатмаларында глюкоза глюкон кислотасына әверелә дип әйтелә. Бу кыскача аңлатма күзәтүләрне дөрес фаразлый, ләкин укытучылар аның тулы түгеллеген белергә тиеш: Royal Society Open Science журналында басылган механистик анализ оксидлашуның реактив энедиолат аша үтеп, соңыннан кечерәк кислоталарга таркалучы дикарбониль кушылмага китерүен күрсәтә.

Селкетү күзгә күренгән нәтиҗәне кире бора. Селкеткәндә өстәге ябык һава бушлыгыннан кислород эри, һәм кислород кайтарылган буягычны яңадан оксидлаштыра:

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

Тыныч калдырганда эри торган кислород бетә, глюкоза буягычны яңадан кайтара, һәм төс сүрелә. Күп цикл дәвамында гомуми химик нәтиҗә — шикәрнең һава ярдәмендә оксидлашуы; буягыч исә оксидлашу-кайтарылу медиаторы буларак үзгәрешсез цикл ясый. Ул катгый мәгънәдә катализатор түгел, ә медиатор, чөнки шикәрнең оксидлашуы ансыз да бара; төснең сүрелүе дә таркалу түгел: таркалган буягычны селкетеп яңадан торгызып булмас иде. Демонстрацияләр арасында буягыч запасларын тотрыклы саклау турында метилен зәңгәр эремәләрен куллану һәм саклау искәрмәләрен карагыз.

Күзәтү астында үткәрелә торган демонстрация тәртибе

Бу — күзәтү астында үткәрелә торган демонстрация, көнкүрештә башкарыла торган тәҗрибә түгел. Селте белән эшләгәндә күзне саклау чаралары, перчаткалар һәм әзерләү белән чистартуны үз өстенә алган укытучы кирәк. Документлаштырылган ике рецептура төзелеше буенча бер үк, ә масштабы буенча аерыла.

Indiana University химия бүлеге бастырган демонстрациянең инструкциясендә якынча 5 percent калий гидроксиды, 4 percent глюкоза һәм 1 percent судагы метилен зәңгәр эремәсе кулланыла. Селте һәм глюкоза эремәләренең тигез күләмнәрен үтә күренмәле 250 or 500 millilitre шешәгә яртысына кадәр салыгыз, калган өлешен һава бушлыгы итеп калдырыгыз. Берничә тамчы буягыч өстәгез, каплагыз, тоташу урынын герметиклагыз һәм зәңгәр төс юкка чыкканчы тыныч калдырыгыз. Royal Society of Chemistry процедурасы шул ук принципны 1 litre бөкеле колба масштабына күчерә: 300 millilitres су, 10 grams глюкоза, 8 grams калий гидроксиды (яки 6 grams натрий гидроксиды), өстәвенә берничә millilitres сыегайтылган буягыч запасы.

Үткәрү өчен колбаны көчле селкетегез. Тулы зәңгәр төс берничә секунд эчендә барлыкка килә. Колбаны куегыз һәм төснең сүрелү вакытын үлчәгез. Royal Society of Chemistry бер тутырудан егермедән артык цикл алырга мөмкин булуын хәбәр итә. Шешәне беркайчан да авызына кадәр тутырмагыз: эчтә һава калмаса, эри ала торган кислород запасы булмый.

Нәрсәне күзәтергә һәм вакытка нәрсә тәэсир итә

Өч күрсәткечнең вакытын үлчәгез: тулы зәңгәр төскә кадәр селкетү (секундлар), төссез хәлгә кадәр тыныч тору (берничә минутка кадәр) һәм зәңгәр төс көчсезләнә башлаганчы цикллар саны. Һәр сүрелүнең ахырына якын өслекне күзәтегез. Һава белән чиктә еш кына нечкә зәңгәр катлам кала, чөнки анда кислород керүен дәвам итә. Бу сызык — күзгә күренгән диффузия.

Зәңгәр шешә реакциясе Royal Society of Chemistry процедурасы белән бергә китерелгән эмпирик тизлек законына буйсына: rate = k[MB oxidised][glucose]OH-. Һәр әгъза аерым дәрес тәҗрибәсенә әйләнә ала. Глюкоза, селте яки буягыч күбрәк булса, зәңгәр чор кыскара. Җылылык төснең тизрәк сүрелүенә китерә; салкын колбада процесс акрыная. Көчлерәк селкетү күбрәк кислород эретә, шуңа күрә зәңгәр төс озаграк саклана. Зуррак һава бушлыгы тәҗрибәне озаграк дәвам итәргә мөмкинлек бирә. Цикллар ниһаять көчсезләнеп, сыеклык саргылтлана башлагач, шикәр сарыф ителгән һәм өстәмә продуктлар тупланган була. Бу соңгы нокта үзе дә язып куярга лаек нәтиҗә.

Күзәтүләр өчен эш бите

Бу таблицаны дәфтәрләргә күчерегез, һәр тәҗрибәгә бер юл. Бу эш бите һәм өстәге реакция схемасы — әлеге мәкаләнең бастырып чыгару өчен әзер материаллары.

Һәр тәҗрибә алдыннан җавап бирелә торган фаразлау сораулары:

• Шешә селкеткәннән соң ук зәңгәр. Буягычның кайсы формасы өстенлек итә һәм аны шул хәлгә нәрсә китерде?
• Шешә тыныч тора һәм төсе сүрелә. Кайсы реакция өстенлек итә һәм кайсы компонент сарыф ителә?
• Күп циклдан соң зәңгәр төс тоныклана һәм саргылтлана. Аны буягыч, селте яки глюкоза белән яңартыргамы, һәм ни өчен?
• Бер цикл өчен төснең вакытка бәйлелеген сызыгыз. Кислородның эремәгә кайда керүен билгеләгез. Укытучы өчен җаваплар: (1) оксидлашкан метилен зәңгәр, ул һава бушлыгыннан эри торган кислород белән яңадан оксидлашкан; (2) глюкоза белән кайтарылу, глюкоза сарыф ителә; (3) глюкоза, чикләүче донор, чөнки буягыч үзгәрешсез цикл ясый; (4) селкеткәндә кискен күтәрелеш, тыныч торганда акрын төшү, кислород керүе күтәрелеш вакытында гына.

Исемнәрен белергә кирәк булган якын вариантлар

“Светофор” демонстрациясендә индигокармин кулланыла, һәм кислородлаштыру вакытында төс сарыдан кызылга, аннары яшелгә күчә. “Яшел шешә” атамасы төгәл булмаган рәвештә кулланыла: кайчак шул вариант өчен, кайчак аскорбин кислотасы системалары яки American Chemical Society тасвирлаган ферментатив цикл системасы кебек яшелрәк рецептуралар өчен. Өстәлдә кайсы вариант торса, шуның исемен әйтегез, укучылар төрле химик системалардан алынган күзәтүләрне бергә кушмасын.

Куркынычсызлык һәм эш итү

Бөтен вакыт дәвамында күзәтү кирәк. Селтеле эремә белән эшләгәндә яки бөкеле савытны селкеткәндә химик чәчрәүләрдән саклый торган күзлек һәм перчаткалар кулланыгыз. Селте пешерә, буягыч тирене һәм тукыманы таплый, ә этанолда әзерләнгән буягыч запаслары өстәлгә янучан эреткеч тә өсти. Селкеткәндә савытны бөкеле килеш тотыгыз. Соңыннан сарыф ителгән эремәләрне учреждениенең үз лаборатория кагыйдәләре буенча эшкәртү өчен саклагыз. Селтеле һәм буягычлы калдыкларга таләпләр учреждениеләр һәм юрисдикцияләр арасында аерыла, шуңа күрә башка чыганактан алынган процедураны күчерү урынына үз лабораториягездә расланган тәртипне үтәгез.

Төс үзгәрешләре урынына саннар кирәк булса, метилен зәңгәрне сан ягыннан билгеләү ысуллары бу демонстрация тәмамланган урыннан дәвам итә.

Ни өчен укытучылар бу шешәне саклый

Бер колба дүрт идеяны берләштерә. Оксидлашу-кайтарылу төшенчәсе билгеләмә түгел, ә төс булып күренә. Медиатор бер матдәнең бик аз күләме икенче матдәнең зур күләмендәге үзгәреш турында ничек сигнал бирә алуын күрсәтә. Кинетика термодинамикадан күз алдында аерыла: селкетү кислород китереп торганда кислород өстенлек итә, ә тәэмин итү туктагач глюкоза өстенлек ала. Ә химиядәге иң тыныч процесс — диффузия — бөтен күренешнең нигезендә тора, чөнки һәр зәңгәр кабыну кислородның һавадан суга күчүеннән башлана. Укучыларга боларның барысын секундомер һәм таблица ярдәмендә алдан фаразларга, вакытын үлчәргә һәм аңлатырга мөмкинлек биргән демонстрация лаборатория өстәлендә үз урынын тулысынча аклый.