Чаму паглынанне метыленавага сіняга змяняецца з канцэнтрацыяй

Вазьміце адну бутэльку зыходнага раствору метыленавага сіняга і наліце дзве шклянкі. Першую напоўніце зыходным растворам, а другую — растворам, разведзеным у дзесяць разоў. Другая шклянка, як і чакалася, выглядае святлейшай. Прыгледзьцеся: змянілася яшчэ нешта. Адценне стала іншым. Адзін раствор бліжэйшы да чыстага нябесна-блакітнага, а другі — да сіняга з фіялетавым адценнем. Развядзенне не проста знізіла інтэнсіўнасць. Яно змяніла тое, якая хімічная форма адказвае за большую частку паглынання.

Ідэя, якая стаіць за гэтай зменай, простая. Раствораны метыленавы сіні — гэта не адна хімічная форма. Асобны катыён фарбавальніка, які называюць манамерам, можа скласціся плоскасцю да плоскасці з другім катыёнам і ўтварыць дымер, а дымеры могуць аб’ядноўвацца ў большыя агрэгаты. Кожная форма мае свой спектр паглынання. Спектрафатометр паказвае сумарны вынік для сумесі, якая знаходзіцца ў гэтай кювеце пры гэтых умовах. Змяніце склад сумесі — і спектр зменіцца, нават калі агульнае ўтрыманне фарбавальніка змяншаецца ў дакладнай прапорцыі развядзення.

Манамер і дымер паглынаюць па-рознаму

Уявіце манамер як плоскую картку з дадатным зарадам, размеркаваным па яе сістэме кольцаў. Дзве такія карткі могуць размясціцца плоскасцю да плоскасці. Дадатныя зарады адштурхоўваюцца, але плоскія араматычныя паверхні прыцягваюцца дзякуючы стэкінгавым узаемадзеянням, а навакольная вада і процііёны экрануюць адштурхоўванне. У выніку ўтвараецца звязаная пара з агульнымі электроннымі станамі. Яе дазволеныя пераходы маюць вышэйшую энергію, чым пераход манамера, таму паласа дымера з’яўляецца пры карацейшай даўжыні хвалі, чым паласа манамера, а большыя агрэгаты дадаюць плячо яшчэ бліжэй да сіняга краю спектра.

Пры вельмі нізкай канцэнтрацыі ў чыстай вадзе пераважаюць манамеры і дамінуе даўгахвалевая паласа. Па меры павышэння агульнай канцэнтрацыі доля парнай формы павялічваецца, а кароткахвалевая паласа ўзрастае адносна першай. Таму суадносіны дзвюх палос адлюстроўваюць склад сумесі, а не непасрэдна агульную канцэнтрацыю. Вымярэнне на адной даўжыні хвалі не дазваляе раздзяліць гэтыя дзве формы без дапушчэння пра тое, якая з іх прысутнічае.

Менавіта таму эталонныя спектры заўсёды трэба разглядаць разам з умовамі іх атрымання. У спектральным даведніку па метыленавым сінім пазіцыі палос прыведзены ў табліцы разам з растваральнікам, солевым фонам, pH, тэмпературай і дыяпазонам канцэнтрацый, пры якіх яны былі атрыманы. Калі прывесці пік без гэтых умоў, лік будзе недастаткова вызначаным. Дзве лабараторыі могуць абедзве мець рацыю наконт розных спектраў аднаго і таго ж фарбавальніка, бо яны вымяралі розныя сумесі.

Што зрушвае раўнавагу

Канцэнтрацыя — галоўны рычаг. Для ўтварэння дымера павінны сустрэцца два манамеры, таму яго доля расце хутчэй, чым лінейна, з павелічэннем агульнага ўтрымання фарбавальніка. Апублікаваныя канстанты дымерызацыі ў вадзе паблізу пакаёвай тэмпературы складаюць тысячы на моль на літр, таму доля дымера рэзка ўзрастае ў мікрамалярным дыяпазоне. Шырокая глабальная падгонка, якая ахоплівала канцэнтрацыі фарбавальніка ад мікрамалярных да мілімалярных, выявіла ненулявы ўклад тэтрамера ўжо ніжэй за 34 мікрамолі на літр. Гэта папярэджвае, што пры дзясятках мікрамоляў на літр не варта безагаворачна давяраць мадэлі толькі з дзвюма формамі. Дакладныя долі залежаць ад асяроддзя, таму гэты артыкул апісвае кірункі змен, а не дае ўніверсальную табліцу пераліку.

Соль — другі рычаг. Раствораныя іёны экрануюць адштурхоўванне паміж двума катыёнамі, таму дадаванне хларыду натрыю і падобных электралітаў зрушвае сумесь у бок дымераў і агрэгатаў пры той жа канцэнтрацыі фарбавальніка. Гэты эфект бачны ў даследаваннях агрэгацыі метыленавага сіняга ў солевых і водных асяроддзях, дзе фарбавальнік у канцэнтрацыях прыкладна ад 1 мікрамоля на літр да 3.4 мілімоля на літр вымяралі пры канцэнтрацыях хларыду натрыю ад 0 да 0.15 моля на літр. У гэтай падгонцы доля тэтрамера дасягала прыкладна 0.93 пры высокіх канцэнтрацыях і фарбавальніка, і солі. Таму спектр, запісаны ў вадзе, і спектр, запісаны ў фізіялагічным растворы, не з’яўляюцца ўзаемазаменнымі эталонамі.

Тэмпература дзейнічае ў адваротным кірунку. Пры стэкінгу вызваляецца звязаная вада, а цеплавы рух яму супрацьдзейнічае, таму награванне раствору звычайна выклікае дысацыяцыю часткі дымераў назад у манамеры, а ахалоджванне спрыяе асацыяцыі. Энтальпія дысацыяцыі, вызначаная падгонкай, адмоўная: прыкладна мінус 30 кіладжоўляў на моль у дыяпазоне ад 282 да 333 кельвінаў, што пацвярджае экзатэрмічную асацыяцыю. Халодны ўзор, вымераны адразу пасля захоўвання ў халадзільніку, можа выглядаць больш агрэгаваным, чым той жа ўзор пасля ўраўнаважвання пры пакаёвай тэмпературы.

Растваральнік задае зыходныя ўмовы. Вада з яе моцным гідрафобным эфектам спрыяе стэкінгу плоскіх катыёнаў фарбавальніка. Спірты, такія як этанол і метанол, лепш сольватуюць кольцы і разбураюць агрэгаты, таму пры аднолькавай канцэнтрацыі фарбавальніка ў этаноле доля манамераў выглядае большай, чым у вадзе. Апратонныя сурастваральнікі дзейнічаюць гэтак жа: у сумесях вады і DMSO пры 293 кельвінах дадаванне DMSO падаўляла дымерызацыю, што паказвае на ролю структуры вады як рухальнай сілы стэкінгу. З павярхоўна-актыўнымі рэчывамі трэба ўлічваць абодва кірункі ўздзеяння. Вышэй за іх крытычную канцэнтрацыю міцэлаўтварэння міцэлы могуць салюбілізаваць манамеры паасобку і аднаўляць спектр, падобны да манамернага. Ніжэй за гэты парог павярхоўна-актыўнае рэчыва з супрацьлеглым зарадам можа, наадварот, спрыяць стэкінгу: пры канцэнтрацыі фарбавальніка 100 мікрамоляў на літр палімерызацыя пад дзеяннем SDS дасягала максімуму каля 4 мілімоляў SDS на літр, прыкладна пры палове канцэнтрацыі міцэлаўтварэння, пасля чаго пры большым утрыманні павярхоўна-актыўнага рэчыва адбывалася пераразмеркаванне. Праца пра ўплыў растваральніка і арганізаваных асяроддзяў на спектры метыленавага сіняга паказвае, наколькі моцна непасрэднае малекулярнае атачэнне, а не толькі аб’ёмная канцэнтрацыя, вызначае назіраныя палосы.

pH мае значэнне пераважна ў крайніх умовах. У блізкім да нейтральнага дыяпазоне, які выкарыстоўваецца ў большасці лабараторных прац, метыленавы сіні застаецца ў сваёй звыклай сіняй катыённай форме, і галоўную ролю ў зменах спектра адыгрывае агрэгацыя. Моцная кіслата або шчолач, акісляльна-аднаўленчыя рэакцыі з утварэннем бясколернай лейкаформы ці звязванне з бялкамі і часціцамі дадаюць станы па-за парай манамер–дымер. Калі спектр змяняецца пасля дадавання буфера, праверце, ці ёсць у яго складзе солі і кампаненты, здольныя да звязвання, перш чым прыпісваць усё толькі pH. Даведнік па хіміі і пратанаванні разглядае гэтыя пытанні хімічнай ідэнтычнасці асобна ад пытання агрэгацыі, якому прысвечаны гэты артыкул.

Чаму прамая Бера — Ламберта выгінаецца

Суадносіны Бера — Ламберта сцвярджаюць, што аптычная шчыльнасць роўная здабытку паглынальнай здольнасці, канцэнтрацыі і даўжыні аптычнага шляху. Гэта закон падліку. Ён мяркуе, што аб’екты, якія падлічваюцца, застаюцца аднолькавымі пры змене іх колькасці: адна паглынальная форма, нязменны спектр, адсутнасць хімічных ператварэнняў са зменай канцэнтрацыі, манахраматычнае зандзіруючае святло, адсутнасць рассейвання і паўторнага выпраменьвання, а таксама святло, якое сапраўды праходзіць заяўлены шлях.

Агрэгацыя парушае першае дапушчэнне. Фармальна агульная аптычная шчыльнасць застаецца сумай укладаў усіх формаў: даўжыня аптычнага шляху, памножаная на паглынальную здольнасць кожнай формы і яе ўласную канцэнтрацыю. Кожная форма падпарадкоўваецца закону. Сумесь — не, бо канцэнтрацыі асобных формаў з’яўляюцца нелінейнымі функцыямі агульнага ўтрымання фарбавальніка. Таму калібровачная крывая аптычнай шчыльнасці на паласе манамера ў залежнасці ад агульнага ўтрымання фарбавальніка пачынаецца з прамой у гранічна разведзеным растворы і выгінаецца ўніз пры павышэнні канцэнтрацыі, бо кожны дадатковы прырост утрымання фарбавальніка дае прапарцыйна менш манамера. Крывая, вымераная на паласе дымера, выгінаецца ў іншы бок. Даследаванні агрэгацыі паказваюць менавіта на гэты механізм як на крыніцу назіраных адхіленняў ад закона Ламберта — Бера. Падгонка прамой на выгнутым участку і яе экстрапаляцыя — тыповая памылка. Прамая сапраўдная толькі ў тым дыяпазоне і той матрыцы, для якіх яна была пабудавана.

Развядзенне стварае падобную пастку. Развядзенне канцэнтраванага зыходнага раствору да дыяпазону прыбора не захоўвае суадносіны формаў. У разведзеным растворы ў кювеце раўнавага пераўсталёўваецца ў бок манамера, таму яго спектр правільна апісвае разведзены ўзор і няправільна — зыходны раствор. Адваротны разлік спектра зыходнага раствору шляхам прапарцыйнага павелічэння значэнняў аптычнай шчыльнасці аднаўляе ацэнку агульнага ўтрымання толькі тады, калі каліброўка ўжо ўлічвае гэты зрух. Ён ніколі не аднаўляе зыходную форму палос. Той, хто параўноўвае спектр канцэнтрату з разведзеным эталонам, параўноўвае дзве розныя сумесі.

Даўжыня аптычнага шляху — частка выніку

Аптычная шчыльнасць змяняецца прапарцыйна адлегласці, якую святло праходзіць праз узор. Кювета 10 mm дае ў дзесяць разоў большую аптычную шчыльнасць, чым кювета 1 mm з тым жа растворам. Гэтае маштабаванне дакладнае толькі для аднаго і таго ж раствору, і з-за агрэгацыі гэтая ўмова мае вырашальнае значэнне.

На практыцы даўжыня аптычнага шляху — інструмент, які дазваляе заставацца ў дапушчальным дыяпазоне. Доўгі шлях забяспечвае адчувальнасць для разведзеных, пераважна манамерных раствораў. Кароткі шлях утрымлівае паказанні канцэнтраванага ўзору ў межах шкалы без значнага развядзення, якое пераўсталявала б раўнавагу. У даследаваннях агрэгацыі, з якіх узяты прыведзеныя вышэй лікі, выкарыстоўваўся менавіта гэты падыход: кюветы 1 сантыметр для фарбавальніка ад 1.1 да 34 мікрамоляў на літр і кюветы 0.01 сантыметра для канцэнтрацый ад 94 мікрамоляў на літр да 3.4 мілімоля на літр. Мікравоб’ёмныя вымяральныя пляцоўкі і планшэтныя рыдары дадаюць уласныя геаметрычныя асаблівасці: кароткія, а часам і зменныя аптычныя шляхі, а таксама паверхні, на якіх катыённы фарбавальнік можа адсарбавацца. Указвайце даўжыню шляху разам з лікавым вынікам, гэтак жа як спектральны даведнік указвае растваральнік і соль. Аптычная шчыльнасць без даўжыні шляху — не вынік. Гэта чутка.

Правілы вымярэння вынікаюць з механізму. Перад вымярэннем давядзіце ўзоры да раўнавагі пры адной тэмпературы. Выкарыстоўвайце адзін і той жа тып і арыентацыю кювет, адпаведныя халастыя ўзоры з тым жа солевым і буферным фонам і чысты лабараторны посуд, бо метыленавы сіні адсарбуецца на шкле і пластыку, а афарбаваная кювета захоўвае памяць пра апошні канцэнтраваны ўзор. Калі кінетыка агрэгацыі мае значэнне, вымярайце неўзабаве пасля падрыхтоўкі і будуйце кожную калібровачную крывую ў той жа матрыцы і пры той жа даўжыні аптычнага шляху, што і ўзоры з невядомай канцэнтрацыяй. Пры візуальнай праверцы памятайце, што вока — дрэнны спектрометр. Ці можна вызначыць чысціню па колеры раствору — асобнае пытанне з адмоўным адказам, і змены адцення праз агрэгацыю — адна з прычын.

Схема, якую варта трымаць побач з прыборам

Малюнак ніжэй сціскае змест артыкула да адной даведачнай схемы для працоўнага стала. Тры растворы ўтрымліваюць адзін і той жа фарбавальнік, але адрозніваюцца агульнай канцэнтрацыяй і солевым фонам. Іх схематычныя спектры паказваюць, як з узмацненнем стэкінгу доля даўгахвалевай паласы манамера змяншаецца на карысць карацейшай паласы дымера. Умовы надрукаваны на малюнку, бо без іх крывыя нельга выкарыстоўваць паўторна. Вымераныя пазіцыі палос пры ўказаных умовах глядзіце ў спектральным даведніку. Пра тое, як фарбавальнік пранікае ў клеткі, калі ўжо знаходзіцца ў растворы, чытайце ў матэрыяле пра пранікненне ў клеткі праз аднаўленне і размеркаванне паміж фазамі. Пра тое, як доза святла і геаметрыя дадаткова ўплываюць на вынікі фотахімічных вымярэнняў, чытайце ў матэрыяле пра светлавое ўздзеянне і геаметрыю вымярэння.

Галоўнае правіла складаецца з дзвюх частак. Спектр характарызуе сумесь, якая знаходзіцца ў кювеце пры ўказаных умовах. Толькі каліброўка, пабудаваная пры тых жа ўмовах, дазваляе пераўтварыць аптычную шчыльнасць у агульную канцэнтрацыю.