Ինչու է մեթիլեն կապույտի կլանումը փոխվում կոնցենտրացիայի հետ

Վերցրեք մեթիլեն կապույտի մեկ շիշ սկզբնական լուծույթ և լցրեք երկու բաժակի մեջ։ Առաջինը լցրեք սկզբնական լուծույթով, իսկ երկրորդը՝ տասնապատիկ նոսրացված լուծույթով։ Երկրորդ բաժակի գույնն ավելի գունատ է, ինչպես և սպասվում էր։ Ուշադիր նայեք, և կնկատեք նաև մեկ այլ փոփոխություն։ Երանգը փոխվել է։ Մի լուծույթն ավելի շատ հիշեցնում է պարզ երկնագույնը, մյուսը՝ մանուշակագույն երանգով կապույտը։ Նոսրացումը միայն ինտենսիվությունը չի նվազեցրել։ Այն փոխել է, թե որ քիմիական տեսակին է բաժին ընկնում կլանման մեծ մասը։

Այս տեղաշարժի հիմքում պարզ գաղափար է։ Լուծված մեթիլեն կապույտը միայն մեկ քիմիական տեսակ չէ։ Ներկանյութի առանձին կատիոնը, որը կոչվում է մոնոմեր, կարող է հարթ մակերեսով համադրվել երկրորդ կատիոնի հետ՝ կազմելով դիմեր, իսկ դիմերները կարող են միավորվել ավելի մեծ ագրեգատների մեջ։ Յուրաքանչյուր ձև ունի իր կլանման սպեկտրը։ Սպեկտրոֆոտոմետրի գրանցած արդյունքը տվյալ պայմաններում այդ կյուվետում առկա խառնուրդի բաղադրիչների կլանումների գումարն է։ Փոխեք խառնուրդի կազմը, և սպեկտրը կփոխվի, նույնիսկ եթե ներկանյութի ընդհանուր պարունակությունը նվազում է նոսրացման պարզ համամասնությամբ։

Մոնոմերն ու դիմերը տարբեր կերպ են կլանում լույսը

Պատկերացրեք մոնոմերը որպես հարթ քարտ, որի օղակային համակարգում բաշխված է դրական լիցք։ Երկու այդպիսի քարտ կարող են դասավորվել հարթ մակերեսներով միմյանց դիմաց։ Դրական լիցքերը վանում են միմյանց, սակայն հարթ արոմատիկ մակերեսները ձգվում են իրար՝ շերտավորման փոխազդեցությունների միջոցով, իսկ շրջապատող ջուրն ու հակաիոնները էկրանավորում են վանող փոխազդեցությունը։ Արդյունքում առաջանում է կապված զույգ՝ ընդհանուր էլեկտրոնային վիճակներով։ Դրա թույլատրված անցումներն ավելի բարձր էներգիա ունեն, քան մոնոմերի անցումը, ուստի դիմերի շերտը հայտնվում է ավելի կարճ ալիքի երկարության վրա, քան մոնոմերինը։ Ավելի մեծ ագրեգատներն էլ լրացուցիչ ներդրում են տալիս սպեկտրի կապույտ կողմում՝ ուսաձև ելուստի տեսքով։

Մաքուր ջրում շատ ցածր կոնցենտրացիայի դեպքում գերակշռում են մոնոմերները և երկարալիքային շերտը։ Ընդհանուր կոնցենտրացիայի աճին զուգահեռ մեծանում է զույգավորված ձևի բաժինը, և կարճալիքային շերտն ուժեղանում է առաջինի համեմատ։ Հետևաբար երկու շերտերի հարաբերությունը ցույց է տալիս խառնուրդի կազմը, ոչ թե անմիջապես ընդհանուր կոնցենտրացիան։ Մեկ ալիքի երկարության վրա չափումը չի կարող տարբերակել այդ երկու ձևերը՝ առանց ենթադրության, թե դրանցից որն է առկա։

Ահա թե ինչու հղումային սպեկտրները միշտ պետք է ներկայացվեն պայմանների հետ միասին։ Մեթիլեն կապույտի սպեկտրային տեղեկատուն աղյուսակով ներկայացնում է շերտերի դիրքերը՝ նշելով դրանց ստացման լուծիչը, աղային ֆոնը, pH-ը, ջերմաստիճանը և կոնցենտրացիայի միջակայքը։ Եթե գագաթի դիրքը մեջբերվում է առանց այդ պայմանների, թիվը բավարար չափով հստակեցված չէ։ Երկու լաբորատորիաները կարող են ճիշտ նկարագրել նույն ներկանյութի տարբեր սպեկտրներ, քանի որ չափել են տարբեր խառնուրդներ։

Ինչն է տեղաշարժում հավասարակշռությունը

Կոնցենտրացիան հիմնական կարգավորող գործոնն է։ Դիմերի առաջացման համար երկու մոնոմեր պետք է հանդիպեն, ուստի դրա բաժինն աճում է ներկանյութի ընդհանուր կոնցենտրացիայի նկատմամբ ավելի արագ, քան գծային կախվածությունը։ Սենյակային ջերմաստիճանին մոտ ջրային լուծույթներում դիմերացման հրապարակված հաստատունները կազմում են մեկ մոլարի հաշվով մի քանի հազար, ուստի միկրոմոլար միջակայքում դիմերի բաժինը կտրուկ աճում է։ Միկրոմոլարից մինչև միլիմոլար կոնցենտրացիաներ ընդգրկող լայնածավալ համատեղ մոդելային համապատասխանեցումը ցույց է տվել տետրամերի ոչ զրոյական ներդրում արդեն 34 միկրոմոլարից ցածր։ Սա զգուշացնում է տասնյակ միկրոմոլար կոնցենտրացիաներում խիստ երկտեսակ մոդելին վստահելու վտանգի մասին։ Ճշգրիտ բաժինները կախված են միջավայրից, այդ պատճառով այս հոդվածը տալիս է փոփոխությունների ուղղությունները, ոչ թե համընդհանուր վերահաշվարկման աղյուսակ։

Աղը երկրորդ կարգավորող գործոնն է։ Լուծված իոնները էկրանավորում են երկու կատիոնների միջև վանող փոխազդեցությունը, ուստի ավելացված նատրիումի քլորիդը և նման էլեկտրոլիտները նույն ներկանյութի կոնցենտրացիայի դեպքում խառնուրդը տեղաշարժում են դեպի դիմերներ և ագրեգատներ։ Այս ազդեցությունը տեսանելի է աղային և ջրային միջավայրերում մեթիլեն կապույտի ագրեգացման ուսումնասիրություններում, որտեղ մոտ 1 միկրոմոլարից մինչև 3.4 միլիմոլար ներկանյութի լուծույթները չափվել են նատրիումի քլորիդի 0-ից մինչև 0.15 մոլար կոնցենտրացիաների դեպքում։ Այդ մոդելային համապատասխանեցման մեջ տետրամերի բաժինը հասել է մոտ 0.93-ի՝ ներկանյութի և աղի բարձր կոնցենտրացիաների համակցման դեպքում։ Հետևաբար ջրում և ֆիզիոլոգիական աղային լուծույթում գրանցված սպեկտրները փոխարինելի չափանմուշներ չեն։

Ջերմաստիճանն ազդում է հակառակ ուղղությամբ։ Շերտավորումն ազատում է կապված ջուրը, իսկ ջերմային շարժումը հակազդում է դրան։ Ուստի լուծույթը տաքացնելիս դիմերների մի մասը սովորաբար տարանջատվում է մոնոմերների, մինչդեռ սառեցումը նպաստում է միավորմանը։ Մոդելից ստացված դիսոցման էնթալպիան բացասական է՝ մոտ մինուս 30 կիլոջոուլ մեկ մոլի հաշվով՝ 282-ից 333 կելվին միջակայքում, ինչը հաստատում է միավորման էկզոթերմ բնույթը։ Սառնարանից հանելուց անմիջապես հետո չափված սառը նմուշը կարող է ավելի ագրեգացված թվալ, քան նույն նմուշը՝ սենյակային ջերմաստիճանին հավասարակշռվելուց հետո։

Լուծիչը սահմանում է ելակետային վիճակը։ Ջուրը, իր ուժեղ հիդրոֆոբ ազդեցությամբ, նպաստում է ներկանյութի հարթ կատիոնների շերտավորմանը։ Էթանոլի և մեթանոլի նման սպիրտներն ավելի լավ են սոլվատացնում օղակները և քայքայում ագրեգատները, ուստի նույն կոնցենտրացիայի դեպքում էթանոլում ներկանյութն ավելի մոնոմերային է, քան ջրում։ Ապրոտոնային համալուծիչները նույն կերպ են ազդում. ջրի և DMSO-ի խառնուրդներում՝ 293 կելվինի դեպքում, ավելացված DMSO-ն ճնշել է դիմերացումը, ինչը ցույց է տալիս ջրի կառուցվածքի դերը շերտավորումը խթանելու գործում։ Մակերևութաակտիվ նյութերի ազդեցությունը պետք է դիտարկել երկու ուղղությամբ։ Միցելների առաջացման կրիտիկական կոնցենտրացիայից բարձր միցելները կարող են առանձին մոնոմերները սոլյուբիլացնել և վերականգնել մոնոմերին բնորոշ սպեկտրը։ Այդ շեմից ցածր հակառակ լիցքով մակերևութաակտիվ նյութը կարող է, ընդհակառակը, խթանել շերտավորումը. ներկանյութի 100 միկրոմոլար կոնցենտրացիայի դեպքում SDS-ով պայմանավորված պոլիմերացումը հասել է առավելագույնի մոտ 4 միլիմոլար SDS-ի դեպքում՝ միցելների առաջացման շեմի մոտ կեսին, նախքան մակերևութաակտիվ նյութի ավելի բարձր մակարդակներում վերաբաշխվելը։ Մեթիլեն կապույտի սպեկտրների վրա ներկանյութ–լուծիչ և կազմակերպված միջավայրերի ազդեցությունների ուսումնասիրությունը ցույց է տալիս, թե որքան ուժեղ է դիտվող շերտերի վրա ազդում անմիջական մոլեկուլային շրջապատը, ոչ միայն ընդհանուր կոնցենտրացիան։

pH-ը հիմնականում կարևոր է սահմանային պայմաններում։ Լաբորատոր աշխատանքների մեծ մասում օգտագործվող՝ չեզոքին մոտ միջակայքում մեթիլեն կապույտը մնում է իր սովորական կապույտ կատիոնային ձևով, և սպեկտրային փոփոխություններում գերակշռում է ագրեգացումը։ Ուժեղ թթուն կամ հիմքը, անգույն լեյկո ձև առաջացնող օքսիդավերականգնման ռեակցիաները կամ սպիտակուցների և մասնիկների հետ կապվելը հավելում են վիճակներ, որոնք դուրս են մոնոմեր–դիմեր զույգի շրջանակից։ Եթե բուֆեր ավելացնելուց հետո սպեկտրը փոխվում է, նախ ստուգեք բուֆերի բաղադրության մեջ աղի և կապակցող բաղադրիչների առկայությունը, ապա միայն ամեն ինչ վերագրեք pH-ին։ Քիմիայի և պրոտոնացման տեղեկատուն քիմիական ինքնության այս հարցերը դիտարկում է առանձին՝ այստեղ քննարկվող ագրեգացման հարցից։

Ինչու է Բեր–Լամբերտի ուղիղ գիծը կորանում

Բեր–Լամբերտի կապի համաձայն՝ օպտիկական խտությունը հավասար է կլանման գործակցի, կոնցենտրացիայի և օպտիկական ուղու երկարության արտադրյալին։ Սա քանակական հաշվառման օրենք է։ Այն ենթադրում է, որ հաշվառվող օբյեկտները մնում են նույնական, երբ փոխվում է դրանց քանակը. կա մեկ կլանող քիմիական տեսակ, անփոփոխ սպեկտր, կոնցենտրացիայի փոփոխությամբ պայմանավորված քիմիական փոխակերպումներ չկան, չափող լույսը մոնոքրոմատիկ է, ցրում կամ վերաճառագայթում չկա, և լույսն իսկապես անցնում է նշված ուղին։

Ագրեգացումը խախտում է առաջին ենթադրությունը։ Ձևականորեն ընդհանուր օպտիկական խտությունը մնում է քիմիական տեսակների ներդրումների գումարը. օպտիկական ուղու երկարությունը բազմապատկվում է յուրաքանչյուր տեսակի կլանման գործակցով և հենց այդ տեսակի կոնցենտրացիայով։ Յուրաքանչյուր տեսակ ենթարկվում է օրենքին։ Խառնուրդը՝ ոչ, քանի որ առանձին տեսակների կոնցենտրացիաները ներկանյութի ընդհանուր կոնցենտրացիայի ոչ գծային ֆունկցիաներ են։ Հետևաբար մոնոմերի շերտում օպտիկական խտության՝ ներկանյութի ընդհանուր կոնցենտրացիայից կախված տրամաչափարկման կորը նոսր լուծույթների սահմանում սկսվում է ուղիղ գծով, ապա կոնցենտրացիայի աճին զուգահեռ կորանում է դեպի ներքև, քանի որ յուրաքանչյուր հավելվող քանակ պարունակում է համամասնորեն ավելի քիչ մոնոմեր։ Դիմերի շերտում չափված կորը կորանում է հակառակ ուղղությամբ։ Ագրեգացման ուսումնասիրությունները հենց այս մեխանիզմն են նշում որպես դիտվող Լամբերտ–Բերի շեղումների աղբյուր։ Կորացած հատվածին ուղիղ գիծ համապատասխանեցնելը և այն արտարկելը տարածված սխալ է։ Ուղիղ գիծը վավեր է միայն այն միջակայքում և մատրիցում, որտեղ այն կառուցվել է։

Նոսրացումն առաջացնում է նմանատիպ մեկ այլ ծուղակ։ Խտացված սկզբնական լուծույթը սարքի չափման միջակայքին հասցնելու համար նոսրացնելը չի պահպանում քիմիական տեսակների հարաբերությունը։ Նոսրացված լուծույթով կյուվետում հավասարակշռությունը վերահաստատվում է դեպի մոնոմեր, ուստի դրա սպեկտրը ճիշտ է նկարագրում նոսրացված նմուշը, բայց սխալ է նկարագրում սկզբնական լուծույթը։ Օպտիկական խտության արժեքները համամասնորեն մեծացնելով սկզբնական լուծույթի սպեկտրը հետադարձ հաշվարկելիս հնարավոր է վերականգնել ընդհանուր պարունակության գնահատականը միայն այն դեպքում, երբ տրամաչափարկումն արդեն հաշվի է առնում այդ տեղաշարժը։ Դա երբեք չի վերականգնում շերտերի սկզբնական ձևը։ Խտացված լուծույթի սպեկտրը նոսր հղումային լուծույթի սպեկտրի հետ համեմատողը համեմատում է երկու տարբեր խառնուրդներ։

Օպտիկական ուղու երկարությունն արդյունքի մասն է

Օպտիկական խտությունը համամասնորեն փոխվում է նմուշի միջով լույսի անցած հեռավորության հետ։ Նույն լուծույթը պարունակող 10 mm կյուվետը տալիս է տասնապատիկ ավելի մեծ օպտիկական խտություն, քան 1 mm կյուվետը։ Այդ համամասնությունը ճշգրիտ է միայն նույն լուծույթի համար, և ագրեգացման պատճառով այս վերապահումը վճռորոշ նշանակություն ունի։

Գործնականում օպտիկական ուղու երկարությունը վավեր միջակայքում մնալու գործիք է։ Երկար ուղին ապահովում է զգայունություն նոսր, հիմնականում մոնոմերային լուծույթների համար։ Կարճ ուղին թույլ է տալիս խտացված նմուշը պահել չափման սանդղակի սահմաններում՝ առանց մեծ նոսրացման, որը կվերահաստատեր հավասարակշռությունը։ Վերը նշված թվերի հիմքում ընկած ագրեգացման հետազոտության մեջ կիրառվել է հենց այս մոտեցումը. 1 սանտիմետր կյուվետներ՝ 1.1-ից 34 միկրոմոլար ներկանյութի համար, և 0.01 սանտիմետր կյուվետներ՝ 94 միկրոմոլարից մինչև 3.4 միլիմոլար կոնցենտրացիաների համար։ Միկրոծավալային չափման հարթակներն ու թիթեղային ընթերցիչներն ունեն իրենց երկրաչափությունը՝ կարճ և երբեմն փոփոխական ուղիներով, ինչպես նաև մակերեսներով, որոնց վրա կատիոնային ներկանյութը կարող է ադսորբվել։ Թվի հետ նշեք նաև ուղու երկարությունը, ինչպես սպեկտրային տեղեկատուն է նշում լուծիչն ու աղը։ Առանց օպտիկական ուղու երկարության նշման՝ օպտիկական խտությունը արդյունք չէ։ Դա լուր է։

Չափման կարգապահությունը բխում է մեխանիզմից։ Չափելուց առաջ նմուշները հավասարակշռեք նույն ջերմաստիճանին։ Օգտագործեք նույն տեսակի և նույն կողմնորոշմամբ կյուվետներ, նույն աղային ու բուֆերային ֆոնն ունեցող համապատասխան դատարկ նմուշներ և մաքուր ապակյա պարագաներ, քանի որ մեթիլեն կապույտը ադսորբվում է ապակու և պլաստիկի վրա, իսկ ներկված կյուվետը կրում է վերջին խտացված նմուշի հիշողությունը։ Երբ ագրեգացման կինետիկան կարևոր է, չափեք պատրաստելուց անմիջապես հետո, և յուրաքանչյուր տրամաչափարկման կորը կառուցեք նույն մատրիցում ու նույն օպտիկական ուղու երկարությամբ, ինչ անհայտ նմուշները։ Տեսողական ստուգումների ժամանակ հիշեք, որ աչքը վատ սպեկտրոմետր է։ Այն հարցը, թե արդյոք լուծույթի գույնով կարելի է հաստատել մաքրությունը, առանձին հարց է՝ բացասական պատասխանով, և ագրեգացման պատճառով երանգի փոփոխությունը դրա պատճառներից մեկն է։

Սարքի կողքին պահելու գծապատկեր

Ստորև բերված պատկերը հոդվածը ամփոփում է մեկ աշխատասեղանային տեղեկատուի մեջ։ Երեք լուծույթները պարունակում են նույն ներկանյութը, բայց տարբերվում են ընդհանուր կոնցենտրացիայով և աղային ֆոնով։ Դրանց սխեմատիկ սպեկտրները ցույց են տալիս, թե ինչպես է շերտավորման աճին զուգահեռ երկարալիքային մոնոմերային շերտը զիջում իր բաժինը կարճալիքային դիմերային շերտին։ Պայմանները նշված են պատկերի վրա, քանի որ առանց դրանց կորերը հնարավոր չէ կրկին օգտագործել։ Նշված պայմաններում չափված շերտերի դիրքերի համար օգտվեք սպեկտրային տեղեկատուից։ Այն մասին, թե ինչպես է ներկանյութը լուծույթում հայտնվելուց հետո ներթափանցում բջիջներ, տես բջիջ ներթափանցումը վերականգնման և բաշխման միջոցով։ Այն մասին, թե ինչպես են լույսի դոզան և երկրաչափությունը լրացուցիչ ձևավորում լուսաքիմիական չափումների արդյունքները, տես լույսի ազդեցությունը և չափման երկրաչափությունը։

Հիշելու կանոնը երկու մաս ունի։ Սպեկտրը բնութագրում է նշված պայմաններում կյուվետում առկա խառնուրդը։ Միայն այդ նույն պայմաններում կառուցված տրամաչափարկումն է օպտիկական խտությունը փոխակերպում ընդհանուր կոնցենտրացիայի։