რატომ იცვლება მეთილენის ლურჯის შთანთქმა კონცენტრაციის ცვლილებისას

აიღეთ მეთილენის ლურჯის საწყისი ხსნარის ერთი ბოთლი და შეავსეთ ორი ჭიქა. პირველში ჩაასხით საწყისი ხსნარი, მეორეში კი — ათჯერ განზავებული. მეორე ჭიქაში ხსნარი, როგორც მოსალოდნელია, უფრო ბაცია. კარგად დააკვირდით და კიდევ ერთ ცვლილებას შენიშნავთ: ელფერიც შეცვლილია. ერთი ხსნარი უფრო სუფთა ცისფერია, მეორე კი — იისფერი ელფერით შეფერილი ლურჯი. განზავებამ მხოლოდ ინტენსივობა არ შეამცირა. მან შეცვალა ისიც, თუ რომელი ქიმიური ფორმა შთანთქავს სინათლის უდიდეს ნაწილს.

ამ ცვლილების საფუძველი მარტივია. გახსნილი მეთილენის ლურჯი მხოლოდ ერთი ქიმიური ფორმით არ არსებობს. საღებავის ცალკეული კატიონი, რომელსაც მონომერი ეწოდება, შეიძლება მეორე კატიონს ბრტყელი ზედაპირით მიეწყოს და დიმერი წარმოქმნას; დიმერები კი უფრო დიდ აგრეგატებად გაერთიანდეს. თითოეულ ფორმას შთანთქმის საკუთარი სპექტრი აქვს. სპექტროფოტომეტრის ჩვენება მოცემულ პირობებში კიუვეტაში არსებული ნარევის ყველა კომპონენტის ჯამური წვლილია. შეცვალეთ ნარევის შემადგენლობა და სპექტრიც შეიცვლება, მაშინაც კი, როცა საღებავის საერთო შემცველობა განზავების თანაფარდობის პირდაპირ პროპორციულად იცვლება.

მონომერი და დიმერი სინათლეს სხვადასხვაგვარად შთანთქავენ

წარმოიდგინეთ მონომერი ბრტყელ ბარათად, რომლის რგოლურ სისტემაზე დადებითი მუხტია განაწილებული. ორი ასეთი ბარათი შეიძლება პირისპირ განლაგდეს. დადებითი მუხტები ერთმანეთს განიზიდავს, მაგრამ ბრტყელი არომატული ზედაპირები სტეკინგური ურთიერთქმედებით იზიდავს ერთმანეთს, ხოლო გარშემო არსებული წყალი და საწინააღმდეგო მუხტის იონები განზიდვას ეკრანირებს. შედეგად წარმოიქმნება შეკავშირებული წყვილი საერთო ელექტრონული მდგომარეობებით. მისი ნებადართული გადასვლები მონომერის გადასვლასთან შედარებით უფრო მაღალ ენერგიაზეა, ამიტომ დიმერის ზოლი მონომერის ზოლზე უფრო მოკლე ტალღის სიგრძეზე ჩნდება, ხოლო უფრო დიდი აგრეგატები დამატებით წვლილს შეიტანს ლურჯი მხარისკენ, ზოლის მხრის სახით.

სუფთა წყალში, ძალიან დაბალ კონცენტრაციაზე, მონომერები ჭარბობს და გრძელი ტალღის ზოლიც დომინირებს. საერთო კონცენტრაციის ზრდასთან ერთად წყვილებად გაერთიანებული ფორმის წილი იზრდება და მოკლე ტალღის ზოლი პირველთან შედარებით ძლიერდება. ამიტომ ორი ზოლის თანაფარდობა ნარევის შემადგენლობას ასახავს და არა უშუალოდ საერთო კონცენტრაციას. ერთ ტალღის სიგრძეზე მიღებული ჩვენებით ამ ორი ფორმის გამიჯვნა შეუძლებელია, თუ წინასწარ არ დავუშვებთ, რომელი ფორმაა წარმოდგენილი.

სწორედ ამიტომ საცნობარო სპექტრს ყოველთვის მისი მიღების პირობებიც უნდა ახლდეს. მეთილენის ლურჯის სპექტრული ცნობარი ზოლების მდებარეობას ცხრილში უთითებს იმ გამხსნელთან, მარილოვან ფონთან, pH-თან, ტემპერატურასა და კონცენტრაციის დიაპაზონთან ერთად, რომლებშიც ისინი მიიღეს. ამ პირობების გარეშე პიკის მითითება არასრული ინფორმაციაა. ერთი და იმავე საღებავის განსხვავებული სპექტრების შესახებ ორი ლაბორატორიის მონაცემები შეიძლება ორივე სწორი იყოს, რადგან მათ განსხვავებული ნარევები გაზომეს.

რა ცვლის წონასწორობას

მთავარი ფაქტორი კონცენტრაციაა. დიმერის წარმოქმნისთვის ორი მონომერი უნდა შეხვდეს ერთმანეთს, ამიტომ მისი წილი საღებავის საერთო კონცენტრაციასთან შედარებით ხაზოვანზე სწრაფად იზრდება. ოთახის ტემპერატურის სიახლოვეს წყალხსნარებისთვის გამოქვეყნებული დიმერიზაციის მუდმივები ათასების რიგისაა მოლარის შებრუნებულ ერთეულში, ამიტომ დიმერის წილი მიკრომოლარულ დიაპაზონში მკვეთრად იზრდება. მიკრომოლარულიდან მილიმოლარულ კონცენტრაციებამდე ჩატარებულმა ფართო, გლობალურმა მოდელურმა მორგებამ ტეტრამერის არანულოვანი წვლილი უკვე 34 მიკრომოლარზე დაბალ კონცენტრაციაზეც გამოავლინა. ეს გვაფრთხილებს, რომ ათეულობით მიკრომოლარის დიაპაზონში მხოლოდ ორი ფორმის მოდელს უპირობოდ არ უნდა ვენდოთ. ზუსტი წილები გარემოზეა დამოკიდებული, ამიტომ ეს სტატია ცვლილების მიმართულებებს აღწერს და არა უნივერსალურ გადაყვანის ცხრილს.

მეორე ფაქტორი მარილია. გახსნილი იონები ორ კატიონს შორის განზიდვას ეკრანირებს, ამიტომ დამატებული ნატრიუმის ქლორიდი და მსგავსი ელექტროლიტები, საღებავის უცვლელი კონცენტრაციის პირობებში, ნარევს დიმერებისა და აგრეგატებისკენ გადახრის. ეს ეფექტი ჩანს მარილიან და წყლიან გარემოში მეთილენის ლურჯის აგრეგაციის კვლევებში, სადაც საღებავი დაახლოებით 1 მიკრომოლარიდან 3.4 მილიმოლარამდე დიაპაზონში გაზომეს, ნატრიუმის ქლორიდის 0-დან 0.15 მოლარამდე კონცენტრაციების პირობებში. ამ მოდელურ მორგებაში ტეტრამერის წილმა დაახლოებით 0.93-ს მიაღწია იმ პირობებში, სადაც საღებავისა და მარილის კონცენტრაციები ერთდროულად მაღალი იყო. ამიტომ წყალში ჩაწერილი სპექტრი და ფიზიოლოგიურ მარილიან ხსნარში ჩაწერილი სპექტრი ურთიერთჩანაცვლებადი სტანდარტები არ არის.

ტემპერატურა საპირისპირო მიმართულებით მოქმედებს. სტეკინგი შეკავშირებულ წყალს ათავისუფლებს, ხოლო თერმული მოძრაობა მას ეწინააღმდეგება. ამიტომ ხსნარის გათბობა, როგორც წესი, დიმერების ნაწილს კვლავ მონომერებად შლის, გაგრილება კი ასოციაციას უწყობს ხელს. მოდელური მორგებით მიღებული დისოციაციის ენთალპია უარყოფითია — დაახლოებით მინუს 30 კილოჯოული მოლზე, 282-დან 333 კელვინამდე დიაპაზონში — რაც ეგზოთერმულ ასოციაციას ადასტურებს. მაცივრიდან ამოღებისთანავე გაზომილი ცივი ნიმუში შეიძლება უფრო აგრეგირებული ჩანდეს, ვიდრე იგივე ნიმუში ოთახის ტემპერატურასთან გათანაბრების შემდეგ.

გამხსნელი საწყის ფონს განსაზღვრავს. წყალი, ძლიერი ჰიდროფობური ეფექტის გამო, საღებავის ბრტყელი კატიონების სტეკინგს უწყობს ხელს. სპირტები, მაგალითად ეთანოლი და მეთანოლი, რგოლებს უკეთ სოლვატირებს და აგრეგატებს შლის. ამიტომ საღებავის ერთსა და იმავე კონცენტრაციაზე ეთანოლში მონომერული ფორმა უფრო მეტადაა წარმოდგენილი, ვიდრე წყალში. აპროტონული თანაგამხსნელებიც ანალოგიურად მოქმედებს: წყლისა და DMSO-ს ნარევებში, 293 კელვინზე, DMSO-ს დამატება დიმერიზაციას თრგუნავდა, რაც სტეკინგის მამოძრავებელ ფაქტორად წყლის სტრუქტურაზე მიუთითებს. ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებების შემთხვევაში ორივე მიმართულებით სიფრთხილეა საჭირო. მიცელის წარმოქმნის კრიტიკულ კონცენტრაციაზე მაღლა მიცელებს შეუძლიათ მონომერები ცალ-ცალკე სოლუბილიზებული სახით მოათავსონ და მონომერის მსგავსი სპექტრი აღადგინონ. ამ ზღვარს ქვემოთ კი საწინააღმდეგო მუხტის მქონე ზედაპირულად აქტიურმა ნივთიერებამ შეიძლება, პირიქით, სტეკინგს შეუწყოს ხელი: საღებავის 100 მიკრომოლარულ კონცენტრაციაზე SDS-ით გამოწვეული პოლიმერიზაცია პიკს აღწევდა SDS-ის დაახლოებით 4 მილიმოლარულ კონცენტრაციასთან, რაც მიცელის წარმოქმნის ზღვრის დაახლოებით ნახევარია; ზედაპირულად აქტიური ნივთიერების უფრო მაღალ კონცენტრაციებზე კი გადანაწილება ხდებოდა. მეთილენის ლურჯის სპექტრებზე საღებავ–გამხსნელისა და ორგანიზებული გარემოს ეფექტების კვლევა აჩვენებს, რამდენად ძლიერ განსაზღვრავს დაკვირვებულ ზოლებს უშუალო მოლეკულური გარემო და არა მხოლოდ ხსნარის საერთო კონცენტრაცია.

pH ძირითადად უკიდურეს მნიშვნელობებთან ხდება მნიშვნელოვანი. თითქმის ნეიტრალურ დიაპაზონში, რომელსაც ლაბორატორიული სამუშაოების უმეტესობაში იყენებენ, მეთილენის ლურჯი თავის ჩვეულ კატიონურ ლურჯ ფორმას ინარჩუნებს და სპექტრულ ცვლილებებს უმთავრესად აგრეგაცია განსაზღვრავს. ძლიერი მჟავა ან ფუძე, ჟანგვა-აღდგენითი რეაქციები, რომლებიც უფერო ლეიკოფორმას წარმოქმნის, ან ცილებთან და ნაწილაკებთან შეკავშირება მონომერ–დიმერის წყვილს მიღმა დამატებით მდგომარეობებს ქმნის. თუ ბუფერის დამატების შემდეგ სპექტრი იცვლება, სანამ ყველაფერს მხოლოდ pH-ს მიაწერთ, შეამოწმეთ ბუფერის შემადგენლობა მარილებისა და შემაკავშირებელი კომპონენტების არსებობაზე. ქიმიისა და პროტონაციის ცნობარი ქიმიური ფორმის ვინაობის ამ საკითხებს აქ განხილული აგრეგაციის საკითხისგან ცალკე განიხილავს.

რატომ იხრება ბერ–ლამბერტის სწორი ხაზი

ბერ–ლამბერტის თანაფარდობის მიხედვით, აბსორბანსი უდრის შთანთქმის კოეფიციენტის, კონცენტრაციისა და ოპტიკური გზის სიგრძის ნამრავლს. ეს რაოდენობრივი აღრიცხვის კანონია. იგი გულისხმობს, რომ აღრიცხული ობიექტები მათი რაოდენობის ცვლილებისას უცვლელი რჩება: არსებობს ერთი შთანმთქმელი ფორმა, სპექტრი ფიქსირებულია, კონცენტრაციის ცვლილება ქიმიურ გარდაქმნებს არ იწვევს, საზომი სინათლე მონოქრომატულია, არ ხდება გაბნევა ან ხელახალი გამოსხივება და სინათლე ნამდვილად გადის მითითებულ გზას.

აგრეგაცია პირველ დაშვებას არღვევს. ფორმალურად, საერთო აბსორბანსი კვლავ ცალკეული ფორმების წვლილების ჯამია: ოპტიკური გზის სიგრძე გამრავლებული თითოეული ფორმის შთანთქმის კოეფიციენტსა და მისივე კონცენტრაციაზე. თითოეული ფორმა კანონს ემორჩილება. ნარევი კი — არა, რადგან ცალკეული ფორმების კონცენტრაციები საღებავის საერთო კონცენტრაციის არაწრფივი ფუნქციებია. ამიტომ მონომერის ზოლზე გაზომილი აბსორბანსის საკალიბრაციო მრუდი საღებავის საერთო კონცენტრაციასთან მიმართებით ძლიერ განზავებულ არეში სწორ ხაზად იწყება, კონცენტრაციის ზრდასთან ერთად კი ქვემოთ იხრება, რადგან ყოველი დამატებული რაოდენობა პროპორციულად ნაკლებ მონომერს იძლევა. დიმერის ზოლზე წაკითხული მრუდი საპირისპირო მიმართულებით იხრება. აგრეგაციის კვლევები სწორედ ამ მექანიზმს მიუთითებს ლამბერტ–ბერის კანონიდან დაკვირვებული გადახრების მიზეზად. მოხრილ უბანზე სწორი ხაზის მორგება და მისი ექსტრაპოლაცია გავრცელებული შეცდომაა. ხაზი მართებულია მხოლოდ იმ დიაპაზონსა და მატრიცაში, სადაც იგი აიგო.

განზავება მსგავს ხაფანგს ქმნის. კონცენტრირებული საწყისი ხსნარის განზავება ხელსაწყოს საზომ დიაპაზონში მოსახვედრად ფორმების თანაფარდობას არ ინარჩუნებს. განზავებულ კიუვეტაში წონასწორობა ხელახლა მყარდება მონომერის სასარგებლოდ, ამიტომ მისი სპექტრი სწორად აღწერს განზავებულ ნიმუშს, მაგრამ არასწორად — საწყის ხსნარს. აბსორბანსის მნიშვნელობების პროპორციულად გაზრდით საწყისი ხსნარის სპექტრის უკუგამოთვლა საერთო შემცველობის შეფასებას მხოლოდ მაშინ აღადგენს, თუ კალიბრაცია ამ ცვლილებას უკვე ითვალისწინებს. თავდაპირველი ზოლების ფორმას იგი ვერასოდეს აღადგენს. ვინც კონცენტრატის სპექტრს განზავებულ საცნობარო სპექტრს ადარებს, ორ განსხვავებულ ნარევს ადარებს.

ოპტიკური გზის სიგრძე შედეგის ნაწილია

აბსორბანსი იმ მანძილის პროპორციულია, რომელსაც სინათლე ნიმუშში გადის. 10 mm-იანი კიუვეტა იმავე ხსნარით შევსებულ 1 mm-იან კიუვეტაზე ათჯერ მეტ აბსორბანსს იძლევა. ეს პროპორცია ზუსტია მხოლოდ ერთი და იმავე ხსნარისთვის, ხოლო აგრეგაცია ამ პირობას გადამწყვეტ მნიშვნელობას ანიჭებს.

პრაქტიკაში ოპტიკური გზის სიგრძე მართებულ დიაპაზონში დარჩენის საშუალებაა. გრძელი გზა მგრძნობელობას ზრდის განზავებული, ძირითადად მონომერული ხსნარებისთვის. მოკლე გზა კონცენტრირებულ ნიმუშს საზომ დიაპაზონში ტოვებს ისეთი დიდი განზავების გარეშე, რომელიც წონასწორობას შეცვლიდა. ზემოთ მოყვანილი რიცხვების საფუძვლად არსებული აგრეგაციის კვლევის პროგრამა სწორედ ამ მიდგომას იყენებდა: 1 სანტიმეტრიან კიუვეტებს საღებავის 1.1-დან 34 მიკრომოლარამდე კონცენტრაციებისთვის და 0.01 სანტიმეტრიან კიუვეტებს — 94 მიკრომოლარიდან 3.4 მილიმოლარამდე. მიკრომოცულობის საზომ პლატფორმებსა და პლანშეტის წამკითხველებს საკუთარი გეომეტრიაც ემატება: მოკლე და ზოგჯერ ცვალებადი გზები, ასევე ზედაპირები, რომლებზეც კატიონური საღებავი შეიძლება ადსორბირდეს. რიცხვთან ერთად მიუთითეთ ოპტიკური გზაც, ისევე როგორც სპექტრული ცნობარი უთითებს გამხსნელსა და მარილს. აბსორბანსი ოპტიკური გზის სიგრძის გარეშე შედეგი არ არის. ის მხოლოდ მოარული ინფორმაციაა.

გაზომვის დისციპლინა ამ მექანიზმიდან გამომდინარეობს. გაზომვამდე ნიმუშების ტემპერატურა ერთსა და იმავე მნიშვნელობამდე გაათანაბრეთ. გამოიყენეთ ერთნაირი ტიპისა და ორიენტაციის კიუვეტები, შესაბამისი ბლანკები იმავე მარილოვანი და ბუფერული ფონით და სუფთა მინის ჭურჭელი, რადგან მეთილენის ლურჯი მინასა და პლასტმასზე ადსორბირდება, ხოლო შეფერილ კიუვეტას ბოლო კონცენტრირებული ნიმუშის კვალი რჩება. როცა აგრეგაციის კინეტიკა მნიშვნელოვანია, გაზომეთ მომზადებიდან მალევე და თითოეული საკალიბრაციო მრუდი ააგეთ იმავე მატრიცაში და იმავე ოპტიკური გზის სიგრძით, როგორც უცნობი ნიმუშები. ვიზუალური შემოწმებისას გახსოვდეთ, რომ თვალი ცუდი სპექტრომეტრია. შეიძლება თუ არა ხსნარის ფერით სისუფთავის დადგენა ცალკე საკითხია, რომელსაც უარყოფითი პასუხი აქვს, და აგრეგაციით გამოწვეული ელფერის ცვლილებები ამის ერთ-ერთი მიზეზია.

სქემა, რომელიც ხელსაწყოს გვერდით უნდა გქონდეთ

ქვემოთ მოცემული სურათი სტატიის შინაარსს ერთ სამუშაო ცნობარად აჯამებს. სამივე ხსნარში ერთი და იგივე საღებავია, მაგრამ საერთო კონცენტრაცია და მარილოვანი ფონი განსხვავდება. მათი სქემატური სპექტრები აჩვენებს, როგორ მცირდება გრძელი ტალღის მონომერული ზოლის წილი მოკლე ტალღის დიმერული ზოლის სასარგებლოდ სტეკინგის ზრდასთან ერთად. პირობები სურათზეა დატანილი, რადგან მათ გარეშე მრუდების ხელახლა გამოყენება შეუძლებელია. მითითებულ პირობებში გაზომილი ზოლების მდებარეობისთვის გამოიყენეთ სპექტრული ცნობარი. იმის გასაგებად, თუ როგორ შედის უკვე გახსნილი საღებავი უჯრედებში, იხილეთ უჯრედში შესვლა აღდგენისა და განაწილების გზით. იმის შესახებ, თუ როგორ აყალიბებს სინათლის დოზა და გეომეტრია დამატებით ფოტოქიმიური გაზომვების შედეგებს, იხილეთ სინათლის ზემოქმედება და გაზომვის გეომეტრია.

დასამახსოვრებელ წესს ორი ნაწილი აქვს. სპექტრი აღწერს მითითებულ პირობებში კიუვეტაში არსებულ ნარევს. აბსორბანსის საერთო კონცენტრაციად გარდაქმნა მხოლოდ იმავე პირობებში აგებული კალიბრაციით არის შესაძლებელი.