Metilen ko‘ki va permanganat diffuziyasi: agar tajribasi nimani ko‘rsatadi

O‘qituvchi agar plastinasida ikkita chuqurcha ochadi, biriga ko‘k bo‘yoq, ikkinchisiga binafsha eritma quyadi va sinfga kuzatishni aytadi. Bir soatdan keyin binafsha halqa kengroq bo‘ladi. O‘quvchilar kaliy permanganat yengilroq bo‘lgani uchun metilen ko‘kidan tezroq diffuziyalanadi, deb yozib qo‘yishadi.

Bu gapning yarmi to‘g‘ri, yarmi esa chalg‘itadi; aynan chalg‘ituvchi yarmi qiziqarli. Bu namoyish diffuziya bo‘yicha odatiy dars tajribasi bo‘lib, masalan, ushbu agar diffuziyasi laboratoriya mashg‘ulotida tasvirlangan. Ammo o‘quvchilar ko‘rayotgan narsa molekulyar massaning bevosita ta’siri emas. Ular ion o‘lchami, gidratlanish, bo‘yoqning bog‘lanishi, konsentratsiya, harorat va chegarani o‘lchash usuli ta’sirida ko‘rinadigan rang chegarasining gel bo‘ylab siljishini ko‘rishadi.

Rangli chegara diffuziya koeffitsiyenti emas

Diffuziya — erigan zarrachalarning yuqori konsentratsiyali joydan past konsentratsiyali joyga tarqalishi. Odatda D bilan belgilanadigan diffuziya koeffitsiyenti muayyan erigan moddaning muayyan muhit va haroratda qanchalik tez tarqalishini ifodalaydi.

Darsdagi plastina D ni bevosita ko‘rsatmaydi. Unda rang ko‘zga ko‘rinmaydigan darajada xiralashadigan chegara ko‘rinadi. Bu chegara diffuziyaning o‘zidan tashqari bo‘yoqning yorug‘likni yutish qobiliyati, yoritish, kamera ekspozitsiyasi, chuqurchaga quyilgan eritma konsentratsiyasi va chizg‘ich ushlab turgan odamning bahosiga ham bog‘liq.

Darsdagi o‘lchov natijasini o‘z nomi bilan atang: ko‘rinadigan diffuziya frontining siljishi. Rasmiy tahlillar o‘rtacha kvadratik siljishni D bilan Fik diffuziyasi tahlilida keltirilgan turdagi munosabatlar orqali bog‘laydi. Ammo D ni hisoblab aniqlash uchun dars oxirida o‘lchangan bitta diametr emas, vaqt davomida olingan konsentratsiya profillari kerak. Chop etilgan bir o‘quv tadqiqotida yakuniy dog‘ o‘lchamlarini taqqoslash o‘rniga masofa kvadratining vaqtga bog‘liqlik grafigi tuzilib, geldagi metilen ko‘kining diffuziya koeffitsiyenti taxminan 4.5 × 10^-10 m^2/s ekanligi aniqlangan. Bitta lahzalik tasvir bilan buni aniqlab bo‘lmaydi.

Namoyishning asosiy mazmuni shu; qolgan barcha jihatlar plastina bu mazmunni qanchalik aniq aks ettirishiga oid tafsilotlardir.

Ikkita molekula emas, ikkita rangli ion

Erigan moddalarning hech biri agar ichida idishda yozilgan formula holida harakatlanmaydi. Ikkalasi ham suvda dissotsilanadigan kuchli elektrolitlardir.

Kaliy permanganat (KMnO4, formula massasi taxminan 158.03 g/mol) kaliy ionlari va permanganat ionlariga ajraladi. Binafsha rangli harakatlanuvchi zarracha — suv qobig‘i bilan o‘ralgan, massasi taxminan 118.94 g/mol bo‘lgan MnO4^- permanganat ioni. Metilen ko‘ki xloridi (suvsiz tuz C16H18ClN3S, taxminan 319.85 g/mol) xlorid va massasi taxminan 284.41 g/mol bo‘lgan ko‘k organik kation MB^+ ga ajraladi; bu kation ham gidratlangan. NISTning metilen ko‘ki haqidagi yozuvi va ChEBIning metilen ko‘ki haqidagi yozuvi ushbu shakllarni hujjatlashtiradi, kimyo va tuzilish bo‘yicha ma’lumotnoma esa nega kation, suvsiz tuz va gidratlar alohida nomlanishi kerakligini tushuntiradi.

Bundan uchta xulosa kelib chiqadi.

Birinchidan, 158 ni 320 bilan taqqoslash rangli ionlar o‘rtasidagi haqiqiy o‘lcham farqini kichraytirib ko‘rsatadi: taxminan 119 g/mol bo‘lgan binafsha zarracha taxminan 284 g/mol bo‘lgan ko‘k kationdan ancha kichik, ikkalasining ham samarali o‘lchamini oshiradigan gidrat qobiqlari bor.

Ikkinchidan, metilen ko‘ki kationlari turli yuzalarga yopishadi. Konsentratsiya oshgani sari ular dimerlar va kattaroq agregatlar hosil qiladi, shuningdek, agarga adsorbsiyalanadi. Agardagi adsorbsiya tadqiqotlarida monomerning ham, dimerning ham bog‘lanishi qayd etilgan. Adsorbsiyalangan bo‘yoq joyida qoladi. U gelni bo‘yaydi, ammo frontni oldinga siljitmaydi.

Uchinchidan, odatda ishlatiladigan reaktiv kukuni gidratdir, shuning uchun tortib olingan bir gramm moddaning kristallari tarkibida suv ham bo‘ladi. Trigidrat va suvsiz shakl taqqoslanishi buning molyar konsentratsiyani qanday o‘zgartirishini ko‘rsatadi. Darsda xolis taqqoslash uchun tuzlarning molyar konsentratsiyasi teng eritmalarini tayyorlang va qaysi qattiq shakl ishlatilganini qayd eting.

Nega bu yerda yengilroq degani tezroq degani emas

Suyultirilgan suyuq eritmalarda massaga asoslangan modeldan ko‘ra Stoks–Eynshteyn modeli yaxshiroq boshlang‘ich modeldir. Unda diffuziya koeffitsiyenti haroratga to‘g‘ri, qovushqoqlik va gidrodinamik radiusga teskari mutanosib bo‘ladi. Gidratlangan o‘lchami kichikroq zarracha tezroq tarqaladi. Bitta kimyoviy guruh ichida kamroq massa ko‘pincha kichikroq o‘lcham bilan bog‘liq bo‘ladi, shu sababli yengillik izohdek tuyulishi mumkin. Bu mexanizm emas, o‘zaro bog‘liqlikdir.

Gazlarning effuziya tezligi molyar massaning kvadrat ildiziga teskari mutanosib ekanini ifodalovchi Grem qonuni bu plastinadagi jarayonni boshqarmaydi. Uning kelib chiqishi gazlarning kinetik nazariyasiga tegishli bo‘lib, ushbu OpenStaxning gazlar effuziyasi va diffuziyasi haqidagi izohida umumlashtirilgan. Suyuqliklarda qovushqoqlik qarshiligi, gidratlanish, shakl ta’siri va zarrachalarning bir-biriga xalaqit berishi ham rol o‘ynaydi. Gellarda esa g‘ovak tuzilishi, yo‘llarning egri-bugriligi, adsorbsiya va polimer bilan zaryadga bog‘liq o‘zaro ta’sirlar qo‘shiladi.

Raqamlar bu tafovutni ochib beradi. Grem qonunini 158 va 320 ga qo‘llash tezliklar nisbatini taxminan 1.42 deb bashorat qiladi. Suyultirilgan suvli eritmalarda o‘lchangan diffuziya koeffitsiyentlari boshqacha manzarani ko‘rsatadi: permanganat uchun taxminan 1.6–1.8 × 10^-9 m^2/s, metilen ko‘ki uchun esa taxminan 4.5–5 × 10^-10 m^2/s; nisbat 3 yoki 4 ga yaqinroq. Faqat massaning o‘zi bunday nisbatni yuzaga keltira olmaydi. Qolgan farqni gidratlangan o‘lcham, agregatlanish va gelga bog‘lanish izohlaydi.

«Yengilroq — tezroq» fikriga muayyan farazlarga asoslangan model sifatida qarang: zarrachalar sharsimon, bog‘lanish yo‘q, agregatlanish yo‘q, sharoitlar bir xil. Plastinadagi tajriba bu farazlarning kamida ikkitasiga mos kelmaydi.

Qanday qilib xolis taqqoslash o‘tkazish mumkin

Namoyishdagi xatolar dasturiy ta’minotdagi xatolarga o‘xshaydi: asosiy g‘oya to‘g‘ri, ammo g‘oyadan o‘lchovga o‘tish jarayonida ko‘plab tuzoqlar bor. Quyidagi omillarning har biri hech qanday molekulyar xususiyatni o‘zgartirmasdan natijani o‘zgartiradi.

Bir partiyadagi agarni bir xil qalinlikda quying, bitta chuqurcha ochish asbobidan foydalaning, suyuqlik hajmlari va molyar konsentratsiyalarni teng qiling. Metilen ko‘kining agregatlanishini cheklash va rang to‘yingan bo‘lib qolmasligi uchun konsentratsiyalar yetarlicha past bo‘lsin. Har bir erigan modda uchun kamida uchta takroriy chuqurcha oching; ular orasidagi masofa frontlar hech qachon tutashmaydigan darajada bo‘lsin. Idishlarni yoping, ularni tekis holatda saqlang va haroratni o‘zgarmas tuting, chunki agardagi bo‘yoq tajribalari harorat va konsentratsiyaga kuchli bog‘liqlikni ko‘rsatadi. Eritma quyilgan paytni boshlang‘ich vaqt deb belgilang va o‘lchashdan oldin chegarani aniqlash mezonini belgilang: fotosurat uchun o‘zgarmas chegara mezoni ko‘z bilan chamalangan chegaradan afzal, chunki ko‘k va binafsha ranglarning ko‘zga ko‘rinish chegaralari turlicha. Har bir dog‘ning o‘zaro perpendikulyar ikkita diametrini qayd eting va ulardan o‘rtacha radiusni hisoblang, chunki radiusni diametr bilan adashtirish masofa kvadrati grafigidagi qiymatlarni to‘rt baravar buzadi.

Belgilar: chap panelda har bir front uchun chuqurcha chetidan rang chegarasigacha o‘lchanadigan radius yuqoridan ko‘rinishda berilgan; o‘ng panelda chuqurcha chuqurligi va tashqariga yo‘nalgan gradient halolari bilan agarning ko‘ndalang kesimi ko‘rsatilgan; izohlar ro‘yxatida nazorat qilinadigan o‘zgaruvchilar keltirilgan (agar foizi, qalinligi, bo‘yoqning molyar konsentratsiyasi, hajm, chuqurcha o‘lchami, harorat, boshlang‘ich vaqt, yoritish).

Chalg‘ituvchi hodisalarga e’tibor bering. Agar yuzasi bo‘ylab to‘kilgan suyuqlik tez diffuziyaga o‘xshab ko‘rinadi; bu kichik agar chuqurchalarida qayd etilgan tajriba artefaktidir. Permanganat kuchli oksidlovchi bo‘lib, organik moddaning juda oz miqdori bilan ham reaksiyaga kirishib sarflanishi mumkin; bu uning frontini to‘xtatadi yoki rangsizlantiradi. Metilen ko‘ki oksidlanish-qaytarilish reaksiyalarida faol bo‘lib, yorug‘lik ta’sirida yoki qaytaruvchi sharoitlarda rangi xiralashishi mumkin; metilen ko‘ki va uning rangsiz qaytarilgan shaklining oksidlanish-qaytarilish kimyosi bu holatni tushuntiradi.

Erituvchi haqida qisqa eslatma: odatiy namoyishda ikkala chuqurchadagi eritmalar ham suvli bo‘ladi. Agar biror protokolda erituvchi o‘zgartirilsa, avval eruvchanlik va eritma tayyorlash qo‘llanmasini tekshiring, chunki eruvchanlik va agregatlanish muhitga qarab o‘zgaradi.

Darsdagi kuzatuv varag‘i

Bu jadvalni daftarlarga ko‘chiring yoki har bir chuqurcha uchun bittadan qator chop eting. Har bir idish uchun alohida jadval yuritish takroriy o‘lchovlarni to‘g‘ri qayd etishga yordam beradi.

Tahlil uchun har bir chuqurchaning o‘rtacha radiusi kvadratining o‘tgan vaqtga bog‘liqlik grafigini tuzing va grafik yonida chegarani aniqlash mezonini ko‘rsatgan holda qiyaliklarni taqqoslang. Oltita egri chiziqning barchasi ular orasidagi tafovutlar bilan ko‘rsatilsa, o‘quvchilar o‘zgaruvchanlikni uyaladigan holat emas, ma’lumot sifatida ko‘rishadi.

Xavfsizlik ham protokolning bir qismi: qo‘lqop va ko‘zni himoyalovchi vosita taqing, chunki metilen ko‘ki teri va kiyimni bo‘yaydi, permanganat esa dog‘ qoldiradigan va ta’sirlantiradigan oksidlovchidir. Eritmalarni og‘izga tushirmang, patnis ustida ishlang va plastinalar hamda suyuqliklarni rakovinaga tashlash o‘rniga maktabning kimyoviy chiqindilarni yo‘q qilish tartibiga muvofiq topshiring.

Yozib qo‘yishga arziydigan xulosa

Ushbu agar, konsentratsiya va harorat sharoitlarida permanganatning ko‘rinadigan fronti odatda metilen ko‘ki frontidan tezroq tarqaladi. Bu permanganatning samarali diffuziya koeffitsiyenti kattaroq ekaniga mos keladi; asosiy sabab uning gidratlangan ioni ancha kichikligi hamda metilen ko‘ki kabi agregatlanmasligi yoki agarga bog‘lanmasligidir. Bu yerda molekulyar massa o‘lcham farqi bilan bog‘liq, ammo suyuqlik yoki gellardagi diffuziya tezligini faqat massaning o‘zi belgilamaydi.

Shu xulosani yozgan sinf ikki narsani o‘rganadi: ikkita rangli ion haqidagi bir faktni va namoyish nimani aytayotgandek ko‘rinishiga ishonishdan oldin u aslida nimani o‘lchayotganini so‘rash odatini.