探索“兩麵”的硫冬酮反應

紫羅蘭色硫寧蛋白和鐵(II)離子之間的化學反應產生白細胞素,一種無色化合物(方程1)。1,2

等式1

因為dGo= + 75 kJ mol-1對於此反應(見下文),它不是自發​​的。但是,輕能可以用來為反應供電。因此,在暴露於光線時,觀察到硫寧和鐵(II)離子溶液的紫色褪色。當光線關閉光線時,顏色會隨著反應自發地沿反向方向自發進行時返回。這些事實允許設置一些引人入勝的化學反應(視頻1)。3

視頻1:,@pchemstud在Tiktok上,於2022年4月18日訪問。

Thionin的吸收光譜表明其吸收黃光非常好(圖1)。

圖1:硫寧的吸收光譜

因此,我想知道是否可以證明黃光驅動了這種反應(方程1)。查看我為此測試的實驗(視頻2)。4

視頻2:湯米技術YouTube通道,由光提供的化學反應,2022年4月10日

與化學課程的聯係

該實驗可用於連接電化學,熱力學和量子化學的主題。

與電化學的聯係

總體反應(方程1)涉及Fe的氧化2+和硫寧的減少。因此,我們通過考慮以下一半反應來分析方程1:

Thionin + H+(aq) + 2e-一種白細胞素eo= 0.38V方程2

3+(aq) + e-一種2+(aq)eo= +0.77V方程3

請注意,如果我們從等式2中減去兩次公式3,則會產生。總體電池電位(eo單元=eo紅色的 -eo牛)方程1因此為-0.39V。該負細胞電位表明反應應該是非自發的,該觀察結果是該反應需要光能才能進行。

與熱力學的連接

從計算出的電池電位中,標準吉布斯能量的變化(dGo)可以使用:

dGo= -NFeo方程4

其中n是反應中傳遞的電子數,f是法拉第的常數(96485 c mol-1), 和eo是公式1中描述的反應的細胞電位。對於等式1,n = 2和eo= -0.39 V.將這些值替換為等式4的產量+75 kJ mol-1再次,該反應的陽性吉布斯能量與方程1的非自發性一致,以及從硫寧和鐵(II)離子中驅動leucothionin的形成所需的光能。另一方麵,dGo= -75 kJ mol-1對於反應(方程1)。因此,當燈關閉時,顏色會自發返回。

與量子化學的聯係

如視頻2中所示,硫寧吸收黃光很好。實際上,硫寧蛋白的吸收光譜在約600 nm處峰值(圖1)。能量,e,可以使用以下方式計算黃色光子的

E = HC/l等式5

h是普朗克的常數(6.626 x 10-34J S),C是真空中的光速(3.0 x 108小姐-1),L是所討論的光子的波長。替換這些常數,L = 600 x 10-9m進入等式5產生3.31 x 10-19j對於黃色光子。將該能量乘以6.02 x 1023每摩爾的光子意味著每個摩爾的黃色光子伴隨著200 kJ的能量。每摩爾黃色光子的能量顯然超過了75 kJ mol-1向右驅動方程1所需的必要條件。這與觀察到的觀察是,硫寧反應混合物吸收的黃光導致硫寧蛋白褪色(視頻2)。

結論

Thionin和Iron(II)之間的反應非常容易設置,無縫連接到各種化學主題,並且是一個真正的人群。絕對值得您的學生表演。如果您嚐試此實驗,請在評論中給我一條線。如果您已經進行了此實驗,請告訴我如何將其包括在化學課程中。

愉快的實驗!

參考

1. Thionin - 兩個麵對的解決方案,Flinn Scientific,Inc.,2017年。(2022年4月訪問)。

2. Shakhashiri,B。Z.化學演示:化學教師手冊;威斯康星大學出版社:2011年;卷。5,第249-255頁。

3.化學亮起了我的生活,Tommy Technetium,Tiktok視頻。(2022年4月訪問)。

4.由光線,湯米技術和YouTube視頻提供動力的化學反應。(2022年4月訪問)。

安全

一般安全

用於實驗室工作:請參考ACS

示威:請參考ACS化學教育部

其他安全資源

:識別危險;評估危害的風險;降低危害的風險;為緊急情況做準備

NGSS

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評估僅限於涉及主要組元素和燃燒反應的化學反應。

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證明理解的學生可以開發一個模型,以說明從化學反應係統中釋放或吸收能量取決於總鍵能的變化。

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評估邊界:

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表現出理解的學生可以評估可以通過波模型或粒子模型描述電磁輻射的想法背後的主張,證據和推理,而對於某些情況,一種模型比另一個模型更有用。

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評估邊界:

評估不包括使用量子理論。

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重點是實驗證據如何支持主張以及理論如何根據新證據進行修改。現象的例子可能包括共振,幹擾,衍射和光電效應。

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