Рішення хімічної таємниці # 8: Стань блакитним!

Передмова: Я пропоную виклик на основі цієї таємниці. Якщо ви хочете дізнатись більше про цю проблему, будь ласка, прочитайте Виклик розділ, що знаходиться в кінці цього допису в блозі.

Вітаємо Гражину Зреду та Альфредо Тіфі, які розгадали хімічну таємницю №8. Хоча ні Гражина, ні Альфредо не зрозуміли, як саме я здійснив цей трюк, вони обидва визначили, що я використовую явище «висалювання». В експерименті «висалення» водорозчинна іонна сіль додається до суміші води та водорозчинної органічної рідини. Якщо додається достатня кількість солі, суміш розділяється на два шари: один багатий водою, а другий багатий органічною рідиною. 1 Ви можете побачити, як це працює (а також рішення таємниці №8) у відео нижче:

У таємниці № 8 я використовував ацетон як водорозчинну органічну рідину, а кухонну сіль як іонну речовину. Спочатку я змішав ацетон, воду та два різні барвники, не додаючи жодної солі. Жовтий барвник отримували з жовтого харчового барвника, тоді як синій барвник отримували із синього блиску. Барвник на блакитному блиску дуже добре розчиняється в ацетоні, але не так добре у воді. Інший жовтий барвник дуже добре розчиняється у воді, але не так добре в ацетоні.

Ацетон і вода добре розчиняються один в одному завдяки взаємодіям водню, що зв’язуються між атомом кисню на молекулах ацетону та зв’язком O-H на молекулах води (рис. 1).

ацетон і вода

Фігура 1: Уявлення про водневий зв’язок (жовта пунктирна лінія), що утворюється між молекулою ацетону (нижня молекула) та молекулою води (верхня молекула). Зображення зроблено за допомогою програмного забезпечення для моделювання Odyssey.

Всі ці чотири компоненти дуже добре змішуються між собою (ацетон, вода, синій барвник, жовтий барвник), утворюючи зелений розчин. Коли було додано багато кухонної солі, зелений розчин розділився на два шари: блакитний, багатий ацетоном шар зверху і жовтий колір, насичений водою солі знизу. Як це сталося?

Коли сіль розчиняється в суміші, отримані іони Na + та Cl - дуже сильно взаємодіють з молекулами води через іонно-дипольні сили (рис. 2). Ці іон-дипольні взаємодії привертали молекули води набагато сильніше, ніж водневі зв’язки ацетон-вода. В результаті іонно-дипольні сили відтягували молекули води від молекул ацетону, і рідини розділялися на дві окремі фази. Жовтий барвник, який краще розчиняється у воді, ніж в ацетоні, опинився в шарі солоної води. Синій барвник, який краще розчиняється в ацетоні, опинився в шарі ацетону.

гідратований хлорид-іон

Малюнок 2: Зображення хлоридного іона (зеленого), що взаємодіє з шістьма молекулами води через іонно-дипольні сили (жовта пунктирна лінія). Зображення зроблено за допомогою програмного забезпечення для моделювання Odyssey.

Цікавим у цьому проекті є те, що для досягнення різних ефектів можна використовувати безліч різних комбінацій барвників, органічних рідин та солей. Наприклад, Гразня Зреда «розгадала» цю таємницю, повідомивши, що змішала жовтий харчовий барвник, воду, синій харчовий барвник (замість синього барвника, що міститься на блиску), ізопропіловий спирт (замість ацетону) та карбонат калію (в місце солі). При змішуванні цих предметів спостерігався гарний зелений розчин; додавання карбонату калію розділило суміш на синій та зелений шари (рис. 3).

Малюнок 3

Малюнок 3: Експеримент, проведений одним із учнів Гражини Зреди. Зліва направо: Пробірки, що містять жовтий харчовий барвник у воді та синій харчовий барвник у 70% ізопропіловому спирті; Змішування жовтої та синьої рідин з утворенням зеленого розчину; Додавання карбонату калію з утворенням зеленого розчину; поділ на синій та жовтий шари при розчиненні карбонату калію.

Ми з Гражиною почали спілкуватися в Twitter про ці експерименти, і одного дня після обіду ми навіть провели годину-дві "разом", електронно обмінюючись повідомленнями про різні експерименти, які ми намагалися. Це справді було дуже весело! Протягом наших спільних зусиль ми виявили кілька справді крутих речей. По-перше, у версії цього експерименту Гражини можна використовувати лише зелений харчовий барвник (замість синього та жовтого)! Це тому, що зелений харчовий барвник містить поєднання синього та жовтого харчового барвника. По-друге, використання різних сумішей органічних рідких та іонних солей із синім харчовим барвником та фіолетовим харчовим барвником «осіннього кольору» призвело до абсолютно різних результатів (рис. 4).

Малюнок 4

Малюнок 4: Комбінації кольорів, досягнуті за допомогою блакитного харчового барвника, фіолетового харчового барвника «осіннього кольору» у поєднанні з (лівим) ацетоном, сіллю та водою; (праворуч) ізопропіловий спирт, карбонат калію та вода.

Виклик: Нарешті, ось виклик, який я пропоную вам і вашим студентам на основі цього експерименту: подивіться, чи можете ви створити шари, які відображають ваші шкільні кольори, модифікуючи цей експеримент, використовуючи різні комбінації іонних солей, барвників, змішуваних органічних рідин та води. Якщо ви цього досягнете, подивіться, які інші колірні композиції ви можете створити. Мені особливо цікаво побачити фіолетово-зелене поєднання! Я хотів би почути від вас про різні комбінації, які ви можете створити. Звичайно, мені також було б цікаво почути про ваші різні успішні рецепти, якщо ви готові поділитися ними! Будьте творчими ... барвники можуть надходити з дивовижної кількості різних джерел… таких, як блиск, усього іншого!

Довідково: Шахаширі, Хімічні демонстрації Том 3, с. 266 - 268.