Новый поворот классической фотохимической демонстрации
Испарение, энтропия и эффект Маранджони. Продемонстрируйте концентрацию и плотность с помощью коллоидной ячейки с переходным металлом. Обратная сторона двухликой реакции. Автор: Деклан Флеминг. 2026-09-04T06:00:00+01:00.
Демонстрация реакции
Рисуйте синие изображения в бесцветном растворе, чтобы показать, как энергия УФ‑света преодолевает кинетический барьер в окислительно‑восстановительной реакции.
Технические заметки
Технические заметки в формате MS Word или pdf, которые помогут подготовить и провести эту демонстрацию.
Обсуждение
Простота требует, чтобы мы рассматривали реакции либо с кинетической, либо с термодинамической точки зрения, но часто точнее учитывать обе. В моей предыдущей статье о альтернативной двухликой реакции с использованием светодиодного фонарика я объяснял, что хотя термодинамика может объяснить обесцвечивание метиленового синего в кислой среде при воздействии красного света, тот факт, что другой диапазон длин волн света обращает это обесцвечивание, показывает, что термодинамика не объясняет всего.
Подготовка раствора
Эту версию двухликой реакции разработала группа Такахиро Судзуки в Токийском университете науки в Японии; на неё меня указало взаимодействие в X между @AlchemistAngus и @brusicor02. Ниже приведён вариант с некоторыми изменениями, чтобы демонстрация работала в школьных условиях.
Приблизительно 1 г L‑аскорбиновой кислоты (витамин C). Растворите приблизительно 36 мг метиленового синего в 100 см3 деионизированной воды, чтобы получить исходный раствор (приблизительно 0,001 моль·дм‑3). Взвесьте примерно 1 г аскорбиновой кислоты в колбу для клеточных культур, добавьте 20 см3 исходного раствора метиленового синего и приблизительно 30 см3 деионизированной воды. Закройте колбу и несколько раз переверните, чтобы кислота растворилась.
Цвет тускнеет в течение нескольких минут, поскольку метиленовый синий восстанавливается до своей бесцветной лейковой формы, LMBH₃²⁺. Раствор готов к использованию примерно через час и остаётся пригодным в течение нескольких дней.
Использование УФ‑света
Фонарики UVA с длиной волны 395 нм менее рискованны, чем более мощные типы 365 нм, но избегайте направлять свет прямо в глаза и по возможности держите пальцы вне прямого луча. См. CLEAPSS GL127 или консультируйтесь с местным органом по технике безопасности.
Приложите UVA‑фонарик к стенке колбы и включите его. В месте, куда попадает свет, в течение секунды‑двух появится синяя пятно. Уберите источник света и наблюдайте, как синяя пятно бледнеет в течение пары минут. Эту реакцию можно многократно повторять.
Создание трафаретов
Вырезая формы в непрозрачной карточке и маскируя свет, можно получать трафаретные синие изображения в растворе. В описанной демонстрации используется фонарь UVA 395 нм. Упоминание школьных допусков для лазеров в исходной статье относится к локальному контексту автора и не является универсальным разрешением для других школ. Требования к оборудованию определяются местными правилами и оценкой риска.
Полу‑уравнения и кинетические барьеры
Эта реакция работает аналогично модифицированной двухликой реакции (почти при том же pH). Полу‑уравнение восстановления метиленового синего было приведено в той статье, но для этой демонстрации также важны реакции с аскорбиновой кислотой и кислородом.
| № | Полуреакция | E при pH 0, В | Оценка E при pH 2,5, В |
|---|---|---|---|
| 1 | MB+(aq) + 2e− + 3H+ ⇌ LMBH32+ | +0,53 | +0,31 |
| 2 | C6H6O6(aq) + 2H+(aq) + 2e− ⇌ C6H8O6(aq) | +0,39 | +0,24 |
| 3 | O2(g) + 4H+(aq) + 4e− ⇌ 2H2O(l) | +1,23 | +1,08 |
Значения в последнем столбце — оценки для pH 2,5, приведённые в исходной таблице RSC.
Комбинирование уравнений даёт приближённое ∆E +0,31 − 0,24 = +0,07 В. Это указывает на то, что в темноте реакция обесцвечивания была бы слегка благоприятна. Но поскольку значение очень мало, устанавливается равновесие, положение которого чувствительно к большому избытку аскорбиновой кислоты в смеси. Это сдвигает большую часть красителя в его лейковую (бесцветную) форму.
Во второй половине той же колбы присутствует ещё один окислительно‑восстановительный пар. Комбинирование соответствующих уравнений показывает, что повторная окисление LMBH₃²⁺ растворённым кислородом ожидаемо спонтанно. Причина, по которой цвет не сохраняется, заключается в том, что четырёхэлектронное восстановление кислорода до воды не происходит в один шаг, и первый шаг (добавление электрона к кислороду) имеет несколько кинетических барьеров. Здесь помогает добавление УФ‑света.
Заключение
В отличие от своей окрашенной формы, LMBH₃²⁺ не имеет полезного поглощения в видимой области, но существует поглощение в ближнем ультрафиолете с максимумом около 310 нм. Плечо этого поглощения достаточно значимо около 400 нм, так что фотоны от 395 нм UVA‑фонарика могут поглощаться и переводить электроны на более высокие уровни энергии. Эти электроны гораздо легче отдаются кислороду, что значительно ускоряет процесс окрашивания в тех местах, куда попадает УФ‑свет. Как только свет удалён, медленный процесс обесцвечивания снова берёт верх.
Техника безопасности
Прочитайте наши стандартные рекомендации по охране труда и технике безопасности и проведите оценку рисков перед проведением живой демонстрации.
При приготовлении раствора метиленового синего проконсультируйтесь с CLEAPSS HC032 и RB108; участникам SSERC следует обратиться к странице по охране труда и технике безопасности по химии, или проконсультируйтесь с местным органом по технике безопасности.
Сам раствор при концентрации, используемой в этой демонстрации, не классифицируется как опасный. Утилизируйте раствор в сточный водоотвод с большим количеством воды.
Прочитайте наши стандартные рекомендации по охране труда и технике безопасности и проведите оценку рисков перед проведением живой демонстрации.
Приготовление раствора метиленового синего следует выполнять в соответствии с CLEAPSS HC032 и RB108 или по указаниям местного органа по технике безопасности. Сам раствор при используемой концентрации не классифицируется как опасный.
Технические заметки
Технические заметки «Обратная сторона двухликой реакции», PDF, размер 0,31 МБ. Технические заметки «Обратная сторона двухликой реакции», Word, размер 0,47 МБ.
Дополнительные исследования
Исследуйте оксиды азота: неожиданное равновесие. Исследуйте оксиды азота: закон Авогадро пересмотрен. Замените тионин на метиленовый синий, чтобы модернизировать демонстрацию двухликой редокс‑реакции. Живой биосенсор светится при обнаружении порчи вина в реальном времени.
Генетически модифицированный E. coli светится в присутствии уксусной кислоты, давая виноделам быстрый способ заметить порчу до того, как вкус будет затронут.
Применение
Используйте стакан, чтобы ограничить беспорядок, но сохраните магию при демонстрации этой впечатляющей редокс‑реакции.
Только зарегистрированные пользователи могут комментировать эту статью.
Продемонстрируйте драматическую редокс‑реакцию, в которой высокореактивный алюминий вытесняет железо из оксида железа.
Объём и температура влияют на положение равновесия между диоксидом азота и тетроксидом азота в этой противоположной интуиции демонстрации химического равновесия.
Используйте бесцветные газы оксида азота и кислорода, чтобы получить окрашенный диоксид азота.
