- Синий эксперимент бутылки является изменением цвета окислительно - восстановительной химической реакцией . Водный раствор, содержащий глюкозу , гидроксид натрия , метиленовый синий , готовят в закрытой бутылке, содержащей немного воздуха. При стоянии он самопроизвольно превращается из синего в бесцветный . Однако встряхивание бутылки приводит к тому, что раствор снова быстро становится синим. При дальнейшем встряхивании этот цикл смены цвета можно повторять много раз. [1] Этот эксперимент представляет собой классическую демонстрацию химии, которую можно использовать на лабораторных курсах в качестве общего химического эксперимента для изучения химической кинетики и механизма реакции.. [2] Реакция также работает с другими восстановителями, помимо глюкозы [3] и других красителей- индикаторов окислительно-восстановительного потенциала, помимо метиленового синего. [4]
.webm/440px--Blue_bottle_(chemical_reaction).webm.jpg)
Реакции
История и общая концепция
Механизм эксперимента с голубой бутылкой требует понимания скоростей и механизмов сложных взаимодействующих химических реакций. В сложных химических реакциях отдельные субреакции могут происходить одновременно, но со значительно разной скоростью. На это, в свою очередь, могут влиять концентрация реагента и температура . В большинстве случаев общая скорость реакции определяется самой быстрой однокомпонентной реакцией. Однако, когда в некоторых процессах образуются промежуточные молекулы, которые затем вступают в реакцию в других процессах с образованием конечного продукта, скорость общей реакции определяется скоростью самой медленной реакции. В таких обстоятельствах промежуточные продукты обычно находятся в устойчивом состоянии при низких концентрациях, поскольку они обладают высокой реакционной способностью. [7] Состояние равновесия требует, чтобы все прямые и обратные реакции происходили с одинаковой скоростью. [8] Таким образом, общая чистая реакция определяется суммой всех этапов механизма, скорость которых зависит от концентрации и температуры. Эксперимент с голубой бутылкой иллюстрирует этот принцип взаимодействия реакций с разной скоростью. [4]
Для эксперимента с голубой бутылкой требуется всего три реагента: раствор гидроксида калия, раствор декстрозы и разбавленный раствор метиленового синего . Эти реагенты добавляют в колбу, перемешивают и колбу закрывают пробкой. Первоначальный цвет раствора синий, но после непродолжительного выдерживания он самопроизвольно становится бесцветным, поскольку раствор щелочной декстрозы восстанавливает метиленовый синий до бесцветного лейкометиленового синего . Встряхивание колбы приводит к тому, что кислород, присутствующий в воздухе верхнего пространства, растворяется в растворе и снова окисляет лейкометиленовый синий до его окрашенной формы. [9] В другом варианте используется метиленовый синий в воде, глюкозе и каустической соде ( NaOH ). [10]
В прошлом считалось, что реакция происходит за счет окисления альдегидной группы до карбоновой кислоты в щелочных условиях. Например, глюкоза будет окисляться до глюконата по кислороду . [11] Однако эксперимент также работает с такими соединениями, как витамин С и бензоин , которые не содержат альдегидных групп. [4] Таким образом, реакция на самом деле окисление ацилоины или связанным с & alpha ; - гидрокси - карбонильной группы, которая является структурной особенностью глюкозы, к 1,2-дикетона . [12] Восстановленный окислительно-восстановительный краситель (бесцветное состояние) образуется из окисленного окислительно-восстановительного красителя (синий). Изменение цвета, которое происходит в эксперименте с синей бутылкой, имеет черты часовой реакции , при которой видимое изменение концентрации одного или нескольких реагентов внезапно происходит при исчерпании ограничивающего реагента. Например, ограничивающий реагент, кислород, потребляется другим реагентом, бензоином, с помощью сафранина в качестве катализатора. Когда ограниченное количество кислорода израсходовано, катализатор не может изменить форму, и в результате раствор меняет цвет.
Классическая версия
Водный раствор в классической реакции содержит глюкозу , гидроксид натрия и метиленовый синий . [13] На первом этапе образуется ацилоин глюкозы. Следующим этапом является окислительно-восстановительная реакция ацилоина с метиленовым синим, в которой глюкоза окисляется до дикетона в щелочном растворе [6], а метиленовый синий восстанавливается до бесцветного лейкометиленового синего. Если имеется достаточно кислорода (например, после встряхивания бутылки), лейкометиленовый синий немедленно повторно окисляется до метиленового синего, и синий цвет раствора сохраняется. Однако, когда раствор оставляют в покое, растворенный кислород постепенно расходуется, и в точке, где он полностью истощен, восстановление глюкозы метиленового синего протекает беспрепятственно, и цвет раствора быстро исчезает. [14] Реакция первого порядка по глюкозе, метиленовому синему и гидроксид-иону и нулевого порядка по кислороду. Процесс можно описать как реакцию псевдопервого порядка , и его можно использовать для иллюстрации изменения концентраций реагентов в ходе реакции, когда раствор снова меняет цвет с синего на бесцветный. [1]
Конечные продукты окисления глюкозы, помимо глюконата натрия, были идентифицированы как D -арабино-гексос-2-улоза (глюкозон), анион D -арабиноната после отщепления формиат-аниона и арабиноновой кислоты . [12]
Зеленая версия
Веллман и Ноубл предложили новую формулировку для эксперимента с голубой бутылкой, в котором витамин С служит восстановителем вместо глюкозы; метиленовый синий и кислород все еще используются. [15] Медь добавляется в качестве катализатора повторного окисления лейкометиленового синего до метиленового синего . Эти модификации дают эксперимент, в котором образуется меньшее количество отходов, которые менее агрессивны и их легче нейтрализовать, и поэтому они являются примером модификации зеленой химии . [16]
Быстрая версия
При автоокислении бензоина Чен [17] был проведен аналогичный эксперимент в отношении классической и зеленой версий. Было обнаружено, что эксперименты со светофором и исчезающим валентинкой могут быть успешными независимо от того, добавлен ли сахар. Один вариант более быстрый: количество циклов смены цвета не длится так долго, как классическая и зеленая версии, потому что реагенты присутствуют в меньших количествах; Кроме того, восстановителем для этого эксперимента является бензоин, который добавляется, чтобы помочь увеличить количество циклов в растворе. Кроме того, период использования в этом эксперименте довольно короткий. Хотя эксперимент готовится в течение ночи, восстанавливающий агент может быть добавлен в любое время, чтобы можно было больше наблюдать за раствором. [18]
Ферментативная версия
Чжан, Цитков и Гесс из Колумбийского университета [19] предложили ферментативный вариант «эксперимента с голубой бутылкой». Они назвали это «экспериментом с зеленой бутылкой», поскольку система окрашена в зеленый цвет, а реагенты более безопасны, чем классические подходы. Эксперимент проводится в прозрачном стеклянном флаконе, содержащем два общих фермента ( глюкозооксидазу и пероксидазу хрена ), глюкозу и 2,2'-азино-бис (3-этилбензотиазолин-6-сульфоновую кислоту) (сокращенно ABTS) в буфере PBS. . Чтобы раствор не попал в воздух, используется тонкий слой масла. Раствор сначала становится зеленым, а затем становится бесцветным по мере истощения растворенного кислорода. Встряхивание раствора вводит свежий кислород и снова окрашивает раствор в зеленый цвет до тех пор, пока кислород не будет израсходован.
Эта версия основана на трех ферментативных реакциях. Во-первых, глюкозооксидаза катализирует окисление глюкозы в присутствии кислорода и производит перекись водорода. Во-вторых, пероксидаза хрена использует перекись водорода для окисления ABTS до его катион-радикальной формы, ABTS + • . Когда растворенный кислород расходуется в растворе, происходит третья реакция: глюкозооксидаза катализирует восстановление ABTS + • обратно до ABTS в присутствии глюкозы. Эта система также может формировать красивые узоры, возникающие в результате вызванной реакцией конвекции Рэлея – Бенара. [20]
Вариация красителей
Химические реакции и механизм в эксперименте с голубой бутылкой основаны на окислении сахара с помощью воздуха и окислительно-восстановительного красителя в основном растворе. Другие варианты этой реакции сообщили , что используют четыре семейства окислительно - восстановительных красителей: тиазины , оксазины , азинов и индиго кармин все было сообщено на работу с глюкозой и каустической соды . [18]
Химический светофор эксперимент
Химический светофор - это окислительно-восстановительная реакция с изменением цвета, связанная с экспериментом с синей бутылкой . Одна из первых формул состоит из глюкозы , гидроксида натрия , индигокармина и воды . Еще одна формула состоит из индигокармина , краситель, аскорбиновая кислота ( витамин С ), бикарбонат натрия , хлорид натрия , сульфат меди (II) , гидроксид натрия и воды . [16] Благодаря этому уменьшается количество химических отходов и уровень коррозионных химикатов. Количество растворенных в эксперименте твердых химикатов можно было уменьшить с 60 до 6 граммов. И pH может быть понижен с 13 до 3, что легче нейтрализовать pH до 7, добавив пищевую соду перед утилизацией. [15] Кроме того, это безопаснее, а реакции протекают быстрее и их легче выполнять.
Сначала все химические вещества складываются вместе, и цвет становится желтым. После встряхивания цвет становится зеленым, а затем меняется на красный, если его не трогать. При дальнейшем наблюдении цвет снова становится желтым, поэтому раствор называют химическим светофором. Эта реакция может повторяться много раз, но для этого требуется дополнительный кислород или индигокармин .
Эта реакция происходит за счет окисления и восстановления раствора, в котором щелочной раствор глюкозы действует как восстановитель . Раствор глюкозы добавляется к раствору, содержащему индикатор (краситель индигокармин), при этом происходит изменение цвета. Эта реакция также известна как эксперимент с химическими часами, потому что концентрации продуктов и реагентов менялись за определенный период. [21] Когда раствор встряхивают, кислород растворяется в растворе и окисляет индигокармин. Раствор становится красным, если растворяется небольшое количество кислорода, и зеленым, если весь индигокармин окисляется. [22] Раствор вернется к первоначальному желтому цвету, когда концентрация кислорода упадет. [23]
- "> Воспроизвести медиа
Замедленная съемка химической реакции светофора