Ko‘k shisha tajribasi: kimyo, tartib va kuzatuvlar

Stol ustida tiniq shisha turibdi. U suvga o‘xshaydi. Kimdir uni chayqatadi va suyuqlik yorqin ko‘k rangga kiradi. Shisha qo‘yib yuborilgach, bir yoki ikki daqiqa ichida ko‘k rang yo‘qoladi. Uni yana chayqatsangiz, ko‘k rang qaytadi. Bir marta tayyorlangan eritma bilan buni yigirma marta yoki undan ham ko‘proq takrorlash mumkin.

O‘quvchilar odatda shisha ichida nimadir yashiringan yoki chayqatish ikki qatlamni aralashtirgan deb taxmin qilishadi. Har ikkala taxmin ham foydali tarzda noto‘g‘ri chiqadi. Rang butun eritma bo‘ylab mavjud bo‘lgan yagona bo‘yoq — metilen ko‘kidan keladi. O‘zgaradigan narsa bo‘yoq nechta elektron tashiyotganidir. Namoyish ko‘zga ko‘rinadigan redoks siklidir va sinf kuzata oladigan har bir o‘zgaruvchi — chayqatish vaqti, harorat, konsentratsiya — kimyodagi muayyan omilga mos keladi.

Bir xil bo‘yoqning ikki shakli

Oksidlangan metilen ko‘ki yassi, musbat zaryadlangan halqali tizimdir. U 600 to 700 nanometres atrofidagi nurni kuchli yutadi va ko‘z buni to‘q ko‘k rang sifatida ko‘radi. Ikki shakl va ularning spektrlari metilen ko‘kining tuzilishi va xossalari bo‘yicha qo‘llanmada yoritilgan.

Qaytarilish ikki elektron va bir proton qo‘shib, leykometilen ko‘kini hosil qiladi: zaryadsiz, yassi bo‘lmagan va amalda rangsiz. Ishqoriy eritmada yarim reaksiya quyidagicha yoziladi: MB+ + H2O + 2 e- ⇌ LMB + OH-. Bosqich to‘liq qaytaruvchandir. Ko‘k rang oksidlangan holatni, rangsizlik esa qaytarilgan holatni bildiradi va kuzatilishi kerak bo‘lgan uchinchi holat yo‘q. Aynan shu jihat uni redoks kimyosi bilan ilk tanishuv uchun juda tushunarli qiladi.

Sikl: glyukoza qaytaradi, kislorod qayta oksidlaydi

Shisha ichida uchta faol tarkibiy qism bor: metilen ko‘ki, glyukoza va kuchli ishqor — kaliy yoki natriy gidroksidi. Ishqor glyukozani bo‘yoqqa elektron bera oladigan reaktiv deprotonlangan shakllarga o‘tishiga yordam beradi:

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

Bu sekin bosqich shisha tinch turganda rangni yo‘qotadi. Glyukoza sarflanuvchi donor bo‘lib, jarayonda iste’mol qilinadi. Bo‘yoq esa faqat elektronlarni tashiydi, shuning uchun bir necha tomchi butun shisha uchun yetadi. Eski sinf manbalarida glyukoza glyukon kislotaga aylanadi, deb aytiladi. Bu qisqartirilgan tushuntirish kuzatuvlarni oldindan aytishga yetadi, biroq o‘qituvchilar uning to‘liq emasligini bilishlari kerak: Royal Society Open Science jurnalida chop etilgan mexanistik tahlil oksidlanish reaktiv enediolat orqali kichikroq kislotalarga parchalanadigan dikarbonil hosilasigacha borishini ko‘rsatadi.

Chayqatish ko‘rinadigan natijani teskarisiga o‘zgartiradi. Aralashtirish yopiq bo‘shliqdagi havodan kislorodni eritmaga kiritadi va kislorod qaytarilgan bo‘yoqni qayta oksidlaydi:

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

Tinch turganda erigan kislorod tugaydi, glyukoza bo‘yoqni yana qaytaradi va rang so‘nadi. Ko‘p sikllar davomida umumiy kimyoviy jarayon havodagi kislorod yordamida shakarning oksidlanishidan iborat bo‘lib, bo‘yoq redoks mediatori sifatida o‘zgarmagan holda sikllanadi. U qat’iy katalizator emas, balki mediator hisoblanadi, chunki shakar oksidlanishi usiz ham sodir bo‘ladi; rangning so‘nishi esa parchalanish emas, chunki parchalanib ketgan bo‘yoqni chayqatish orqali qayta tiklab bo‘lmas edi. Namoyishlar orasida bo‘yoq zaxira eritmalarini barqaror saqlash uchun metilen ko‘ki eritmalarini ishlatish va saqlash bo‘yicha eslatmalarga qarang.

Nazorat ostidagi namoyish tartibi

Bu uy sharoitidagi mashg‘ulot emas, balki nazorat ostida bajariladigan namoyishdir. Ishqor ko‘zni himoyalash vositalari, qo‘lqoplar va tayyorlash hamda tozalash ishlariga mas’ul o‘qituvchini talab qiladi. Hujjatlashtirilgan ikki formulatsiya tuzilishi bo‘yicha bir xil, miqyosi bo‘yicha esa farq qiladi.

Indiana University kimyo bo‘limi chop etgan namoyish ortidagi yo‘riqnomada taxminan 5 percent kaliy gidroksidi, 4 percent glyukoza va 1 percent suvli metilen ko‘ki ishlatiladi. Ishqor va glyukoza eritmalaridan teng hajmda olib, tiniq 250 yoki 500 millilitre shishaga uning yarmigacha quying va qolgan qismini havo bo‘shlig‘i sifatida qoldiring. Bir necha tomchi bo‘yoq qo‘shing, qopqog‘ini yoping, birikish joyini mahkamlang va ko‘k rang yo‘qolguncha tinch qoldiring. Royal Society of Chemistry tartibi xuddi shu usulni tiqinli 1 litre kolbaga moslaydi: 300 millilitres suv, 10 grams glyukoza, 8 grams kaliy gidroksidi (yoki 6 grams natriy gidroksidi), shuningdek bir necha millilitres suyultirilgan bo‘yoq zaxira eritmasi.

Bajarish uchun kuchli chayqating. To‘liq ko‘k rang bir necha soniyada hosil bo‘ladi. Kolbani qo‘ying va rang so‘nish vaqtini o‘lchang. Royal Society of Chemistry bir to‘ldirishda yigirmadan ortiq sikl kuzatilishini bildiradi. Shishani hech qachon og‘zigacha to‘ldirmang: ichida havo qolmasa, eritmaga o‘tadigan kislorod zaxirasi bo‘lmaydi.

Nimalarni kuzatish va vaqtga nimalar ta’sir qiladi

Uchta vaqtni o‘lchang: to‘liq ko‘k rangga kelguncha chayqatish (seconds), rangsiz holatga kelguncha tinch turish (up to a few minutes) va ko‘k rang zaiflashguncha bajarilgan sikllar soni. Har bir so‘nishning oxiriga yaqin suyuqlik yuzasini kuzating. Kislorod kirishda davom etadigan havo bilan tutashish chegarasida yupqa ko‘k qatlam ko‘pincha uzoqroq saqlanadi. Bu ko‘zga ko‘rinadigan diffuziyadir.

Ko‘k shisha reaksiyasi Royal Society of Chemistry tartibi bilan keltirilgan empirik tezlik qonuniga bo‘ysunadi: rate = k[MB oxidised][glucose]OH-. Har bir hadni sinf tajribasida tekshirish mumkin. Ko‘proq glyukoza, ishqor yoki bo‘yoq ko‘k holat davomiyligini qisqartiradi. Issiqlik rang so‘nishini tezlashtiradi; sovuq kolbada jarayon sustlashadi. Kuchliroq chayqatish ko‘proq kislorodni eritadi, shuning uchun ko‘k rang uzoqroq saqlanadi. Kattaroq havo bo‘shlig‘i tajriba davomiyligini uzaytiradi. Sikllar oxir-oqibat zaiflashib, suyuqlik sarg‘aya boshlaganda shakar sarflanib bo‘lgan va yon mahsulotlar to‘plangan bo‘ladi. Bu yakuniy nuqtaning o‘zi ham qayd etishga arziydigan natijadir.

Kuzatuv varag‘i

Ushbu jadvalni daftarlaringizga ko‘chiring, har bir tajriba uchun bittadan qator ajrating. Ushbu ish varag‘i va yuqoridagi reaksiya diagrammasi mazkur maqolaning chop etish mumkin bo‘lgan materiallaridir.

Har bir tajribadan oldin javob beriladigan taxmin savollari:

• Shisha chayqatilgandan keyin darhol ko‘k rangda. Bo‘yoqning qaysi shakli ustun va uni shu holatga nima keltirdi?
• Shisha tinch turadi va rangi so‘nadi. Qaysi reaksiya ustun kelmoqda va qaysi tarkibiy qism sarflanmoqda?
• Ko‘p sikllardan keyin ko‘k rang xira va sarg‘ish bo‘lib qoladi. Uni bo‘yoq, ishqor yoki glyukoza bilan tiklash kerakmi va nega?
• Bitta sikl uchun rangning vaqtga bog‘liqlik grafigini chizing. Kislorod eritmaga qayerda kirishini belgilang. O‘qituvchi uchun javoblar: (1) oksidlangan metilen ko‘ki, bo‘shliqdan erigan kislorod tomonidan qayta oksidlangan; (2) glyukoza tomonidan qaytarilish, glyukoza sarflanadi; (3) glyukoza, cheklovchi donor, chunki bo‘yoq o‘zgarmagan holda sikllanadi; (4) chayqatishda keskin ko‘tarilish, tinch turganda asta-sekin pasayish, kislorod faqat ko‘tarilish vaqtida kiradi.

Nomini bilishga arziydigan yaqin tajribalar

Svetofor namoyishida indigo carmine ishlatiladi va kislorodlanish jarayonida rang sariq, qizil va yashil bosqichlardan o‘tadi. Green bottle nomi erkin qo‘llanadi: ba’zan shu variantga, ba’zan esa askorbin kislota tizimlari yoki American Chemical Society tavsiflagan fermentativ sikllanish tizimi kabi yashilroq formulatsiyalarga nisbatan. O‘quvchilar turli kimyoviy tizimlardagi kuzatuvlarni aralashtirib yubormasligi uchun stol ustida aynan qaysi variant turgan bo‘lsa, o‘shani nomlang.

Xavfsizlik va ishlatish

Butun jarayon davomida nazorat zarur. Ishqoriy eritma bilan ishlash yoki tiqinlangan idishni chayqatishda kimyoviy sachrashdan himoyalovchi ko‘zoynak va qo‘lqop taqing. Ishqor kuydiradi, bo‘yoq teri va matoni dog‘laydi, etanolda tayyorlangan bo‘yoq zaxira eritmalari esa ish joyiga yonuvchan erituvchi qo‘shadi. Chayqatish vaqtida idishni tiqinlangan holda saqlang. Ish tugagach, ishlatilgan eritmalarni muassasangizning laboratoriya qoidalariga muvofiq utilizatsiya qilish uchun saqlab qo‘ying. Ishqor va bo‘yoq saqlovchi chiqindilarga qo‘yiladigan talablar muassasa va yurisdiksiyaga qarab farq qiladi, shuning uchun boshqa manbadagi tartibni ko‘chirib olish o‘rniga laboratoriyangizning o‘z tartibiga amal qiling.

Agar rang o‘zgarishlaridan ko‘ra sonli natijalar kerak bo‘lsa, metilen ko‘ki uchun miqdoriy tahlillar ushbu namoyish tugagan joydan davom etadi.

Nega o‘qituvchilar bu shishadan foydalanishda davom etadi

Bitta kolba to‘rtta g‘oyani jamlaydi. Redoks ta’rif bo‘lib qolmay, rangga aylanadi. Mediator oz miqdordagi bir modda boshqa moddaning katta miqdordagi holatini qanday ko‘rsatishini namoyish etadi. Kinetika termodinamikadan ko‘zga ko‘rinadigan tarzda ajraladi: chayqatish kislorod yetkazib turganda kislorod ustun keladi, ta’minot to‘xtaganda esa glyukoza ustun keladi. Kimyodagi eng sokin jarayonlardan biri bo‘lgan diffuziya esa butun namoyishni yuzaga keltiradi, chunki har bir ko‘k chaqnash kislorodning havodan suvga o‘tishi bilan boshlanadi. O‘quvchilarga bularning barchasini sekundomer va jadval yordamida oldindan taxmin qilish, vaqtini o‘lchash va tushuntirish imkonini beradigan namoyish laboratoriya stolidagi o‘z o‘rniga munosib.