Мақала
Метилен көгі индикатор ретінде: түс өзгерісі шын мәнінде нені көрсетеді
Зертханашы химиялық стақанға метилен көгін қосып, pH мәнін реттейді де, түс қышқылдықты көрсеткенін күтеді. Айқын өзгеріс болмайды. Оның орнына аскорбин қышқылы ерітіндісінің бір тамшысын қосқанда, көк түс жоғалады. Колбаны ауада шайқағанда, көк түс қайта пайда болады. Бір бояғыш, бірақ екі мүлде басқа құбылыс. Осы шатасу — мақаланың негізгі тақырыбы: метилен көгі протондарға жауап беретін pH индикаторы емес, электрондардың берілуіне жауап беретін тотығу-тотықсыздану индикаторы. Бұл айырмашылықты түсінгенде, қалған барлық жайт өз орнына келеді.
Практикалық ережені бір сөйлеммен айтуға болады. Көк түс тотыққан форманың бар екенін білдіреді. Түссіз күй тотықсызданған форманың, яғни лейкометилен көгінің бар екенін білдіреді. Электрондарды тасымалдайтын кез келген фактор осы күйді өзгерте алады. Қышқылдар мен негіздер өздігінен мұны істей алмайды, бірақ pH осы ауысу болатын кернеуді өзгертеді.
Түстің негізіндегі жұп
Тотыққан метилен көгі — метилтиониний катионы, хлорид тұзы түрінде жеткізілетін жазық үш сақиналы фенотиазиний жүйесі. PubChem оны метилтиониний хлориді деп тіркеген. Сұйылтылған сулы ерітіндіде мономер шамамен 664 nm маңында жарықты жұтады, көзге көрінетін көк түс осы жұтылудан туындайды. Оның тотықсызданған жұбы — лейкометилен көгі — сол қаңқаны сақтайды, бірақ орталық сақинадағы азот протонданған және хромофор бұзылған. Сондықтан ол дерлік түссіз, ал күшті жұтылу жолағы ультракүлгін аймақта орналасқан (лейкоформа туралы PubChem жазбасы).
Жалпы реакцияда екі электрон беріледі, бірақ протондар саны pH-қа тәуелді, өйткені тотықсызданған форма қышқыл ортада протонданады. Тотығу-тотықсыздану химиясын көрнекі көрсету жөніндегі анықтамалық еңбекте сутек электродына қатысты стандартты потенциал pH 0 кезінде шамамен +0.53 V, ал формалды потенциал pH 7 кезінде шамамен +0.011 V деп берілген. Осы нүктелер арасында потенциал pH-пен бірге ығысады. Бояғыштардың тотығу-тотықсыздану қасиеттері мен потенциалдары зерттелген жұмыстағы заманауи вольтамметрия шамамен pH 4 пен 10 аралығында pH-тың әр бірлігіне шамамен 29.5 mV өзгеріс анықтаған. Бұл екі электрондық, бір протондық режимге сәйкес келеді. Ал pH 4-тен төменде әр pH бірлігіне шамамен 88.5 mV өзгеріс байқалған, бұл екі электрондық, үш протондық режимге сәйкес келеді. Сондықтан pH мәнінсіз келтірілген потенциалдың мағынасы жоқ. Санның қандай көлбеуге және қандай салыстыру электродына негізделгенін әрдайым нақтылаңыз: күміс салыстыру электродтарына қатысты берілген мәндерді сутек шкаласына қатысты мәндермен тікелей салыстыруға болмайды. Негізгі құрылымы мен қасиеттері хромофорды анықтайды, ал тотығу-тотықсыздану көрсеткішін тіркеу тәсілдерін жобалау жөніндегі қосымша бет осы жұпты құрам таңдау мәселелерімен байланыстырады.
Потенциал шкаласындағы осы аралық орны бояғышты пайдалы етеді. pH 7 кезінде ол жұмсақ тотықтырғыштар қатарында тұрады: аскорбат немесе NAD(P)H сияқты тиімді донорлардан электрон қабылдауға жеткілікті күшті, ал оларды еріген оттекке немесе темір(III) орталықтарына беруге жеткілікті әлсіз. Сондықтан ол бір күйде қалып қоймай, циклді түрде ауысады. Тотықсыздану оны түссіздендіреді. Ауа оны қайта тотықтырады. Екі бағыттағы жол да бірдей.
pH туралы сұрақтар неліктен қайталана береді
Зертханалар мен оқу орындарында шатасудың үш себебі жиі кездеседі, олардың әрқайсысына нақты түсініктеме бар.
Біріншіден, pH потенциалды ығыстырады, бұл pH-қа жауап сияқты көрінеді. pH жоғарылағанда, электрод көрсеткіші тұрақты болса, жұпты тотықсыздандыру жеңілдейді, сондықтан сол донор бояғышты тезірек түссіздендіреді. Бірақ қалыпты аралықта протонданудың өзі көк түстен түссіз күйге айқын ауысуды туғызбайды. Метилен көгінің қасиеттеріне арналған 2025 жылғы сыни шолуда 665 nm максимумы pH 2-ден 12-ге дейін іс жүзінде өзгермейтіні, тек оптикалық тығыздықтың аздап өзгеретіні айтылған. Протондар кернеуді реттейді. Электрондар түсті өзгертеді.
Екіншіден, онтологиядағы белгі жаңылыстырады. PubChem қазіргі кезде ChEBI-ден бояғыштың рөлі туралы жазбаны импорттайды, онда ол қышқыл-негіздік индикатор деп аталған. Бұл белгіні метилен көгі фенолфталеин немесе метил қызылы сияқты әрекет етеді деген дәлел ретінде қабылдауға болмайды. Қалыпты сулы ортадағы жұмыста ол олай әрекет етпейді.
Үшіншіден, Таширо қоспасында осы атау қолданылады. Таширо индикаторы — метил қызылы мен метилен көгінің қоспасы. Онда метил қызылы қышқыл-негіздік жауапты береді, ал метилен көгі көк оптикалық фон қалыптастырып, қызылдан сарыға ауысуды неғұрлым айқын құрама түс өзгерісіне айналдырады. Коммерциялық Таширо құрамдарының бірі pH 4.4–6.2 аралығын көрсетеді, ал нақты сипатталған ITW Reagents құрамы pH 4.4 кезіндегі қызыл-күлгін түстен pH 5.8 кезіндегі жасыл түске ауысуды көрсетеді. Бұл аралықтардың ешқайсысы метилен көгінің өзінің ауысу аралығы емес. Бояғыш — фон түзуші агент, сезгіш компонент емес.
Бір шеткі жағдай туралы ескерту қажет. pH шамамен 13 болғанда, күшті сілтілік жағдайлар қайтымсыз гидролиз арқылы қызылдан қызғылтқа дейінгі метилен күлгіні типті өнімдер түзуі мүмкін. Бұл қызғылт түс индикатордың соңғы нүктесін емес, ыдырауды білдіреді. Оны көрсеткіш ретінде оқымай, ерітіндіні тастау керектігінің белгісі деп қабылдаңыз.
Ол тотығу-тотықсыздану индикаторы ретінде қайда қолданылады
Классикалық қолданылуы — тотықсыздандырғыш қанттарды Лейн–Эйнон әдісімен титрлеу. Ыстық сілтілік Фелинг ерітіндісін қантпен титрлейді, ал соңғы нүктеге жақындағанда метилен көгін қосады; қанттың тотықсыздандыру қабілеті мыс(II) үшін қажет мөлшерден асқанда, қалған көк түс жоғалады. AOAC Лейн–Эйнон әдістемесінде қоспаны қайнап тұрған күйде ұстайды: бөлінетін бу ауамен қайта тотығуды тежейді. Әдетте бояғыш ерітіндісінің бірнеше тамшысы қолданылады. Түс өзгерісі тотықсызданатын мыс қалмағанын көрсетеді, яғни бұл колбадағы тотығу-тотықсыздану күйі туралы мәлімет, pH туралы мәлімет емес.
Бұрынғы титриметрияда осы қағида басқа жағдайларда да қолданылған. Спирт крахмалды қолдануға жарамсыз ететін кейбір йодиметриялық титрлеулерде сұйылтылған бояғыш крахмалды алмастыра алған; жұмыс концентрациясы литріне шамамен 0.05 g болған. Бірақ бояғыштың артық мөлшері йод-бояғыш қосылысының түзілуіне әкелуі мүмкін, мұны Синнатт 1912 жылы көрсеткен. Анықтамалық жинақтарда бояғыштың титанометрия мен йодометрияда қолданылуы да келтіріледі. 1936 жылғы Гальдың аскорбин қышқылын анықтау әдісінде бояғыш C дәрумені сығындыларымен тотықсыздандырылып, қалған бояғыш титан трихлоридімен кері титрленген. Қазір бұл күнделікті қолданылатын емес, тарихи әдіс, бірақ ол жалпы үлгіні көрсетеді: донор көк бояғышты түссіз күйге дейін тотықсыздандырады, ал көк түстің жоғалуы — соңғы нүкте.
Еріген оттекті анықтау әдістерінде осы жұп кері бағытта жұмыс істейді. Жарияланған тәсілдердің бірінде бояғыш алдымен сілтілік сулы этанолда глюкозамен тотықсыздандырылады, содан кейін еріген оттек түссіз лейкоформаны дерлік бірден көк формаға дейін тотықтырады. Окумура мен Хашитани сипаттағандай, өлшеу шамамен 600 nm маңында, миллилитріне шамамен 13 микрограммға дейінгі мөлшерлер үшін жүргізіледі. Мұны еріген оттекті анықтайтын классикалық Винклер титрлеуімен шатастырмаңыз: оның соңғы нүктесін анықтау үшін крахмал қолданылады; NOAA Винклер стандартты жұмыс рәсімі шамамен 1 пайыздық крахмалды белгілейді. Метилен көгімен оттекті анықтау әдістері — түс өзгерісінің бағыты кері болатын жеке әдістер тобы.
Оқу орнындағы «көк бөтелке» тәжірибесі — осы жұптың шағын көрінісі: сілтілік ерітіндідегі глюкоза тыныш тұрған кезде көк бояғышты түссіз формаға дейін тотықсыздандырады, ал шайқау оттекті ерітіп, оны қайтадан көк формаға дейін тотықтырады. Толық әдістеме мен оның бақылау шарттары «көк бөтелке» көрсетіліміне арналған бетте, ал жолақтардың орналасуы мен агрегациядан болатын ығысулар спектрлер мен концентрация әсерлеріне арналған бетте берілген. Бұл мақалада тек механизм қарастырылады, өйткені әдістеме мен спектрлердің әрқайсысы үшін өз жағдайларын көрсету қажет.
Түс күйлерінің кестесі: күйлер, жағдайлар, шектеулер
Бұл кесте — мақала үшін әзірленген бастапқы анықтамалық материал. Кез келген соңғы нүктеге сенбес бұрын, тиісті жолды толық оқыңыз.
| Күй | Сыртқы көрінісі | Оны туғызатын жағдай | Нені көрсетеді | Шектеуі |
|---|---|---|---|---|
| Тотыққан мономер, сұйылтылған, бейтарап ортада | Қанық көк, максимум шамамен 664 nm маңында | Ауамен қаныққан ерітінді, донор жоқ | Бастапқы дайын күй | Жоғары концентрацияда димерлену салдарынан максимум 610 nm жағына ығысады, сондықтан реңкті тек сұйылтқаннан кейін бағалаңыз |
| Тотықсызданған лейкоформа, бейтарап ортада | Түссіз | Донор бар (сілтілік ортадағы глюкоза, аскорбат, дитионит, катализатормен бірге NAD(P)H) | Тотықсыздандыру қабілеті индикаторға қажет мөлшерден асты | Ауа оны қайта тотықтырады, сондықтан ауа аластатылмаса немесе оның әсері стандартталмаса, соңғы нүктеден кейін түс қайта көкке ауысады |
| Лейкоформа, қышқыл ортада | Түссіз | Сол донорлар қышқыл ортада, лейкоформа қосымша протонданады | Жоғарыдағыдай, бірақ ығысқан потенциалда | pH 4-тен төменде потенциалдың өзгеру көлбеуі артады, сондықтан pH 7 кезіндегі калибрлеуді қолдануға болмайды |
| Таширо қоспасы, қышқыл ортада | Қызыл-күлгін | Метил қызылы мен метилен көгі қоспасында pH шамамен 4.4-тен төмен | Метил қызылы арқылы қышқылдықты | Метилен көгін емес, метил қызылын көрсетеді; мұны метилен көгінің pH аралығы деп келтірмеңіз |
| Таширо қоспасы, pH шамамен 5.8–6.2 | Жасылдан сұр-жасылға дейін | Сол қоспа өзінің жоғарғы ауысу шегіне жақын | Жоғарыдағыдай | Құрамға тәуелді; жадыңызға емес, құтыдағы мәліметке сүйеніңіз |
| Ыдыраған, күшті сілтілік ортада | Қызғылттан қызылға дейін | pH шамамен 13, қыздыру, сілтінің ұзақ әсері | Күлгін типті өнімдерге дейінгі қайтымсыз гидролизді | Шайқау арқылы қалпына келмейді; тастап, жаңадан дайындаңыз |
| Жарық әсерінен түссізденген | Спектрі өзгерген солғын көк | Күшті көрінетін жарық, әсіресе донорлар болғанда | Деметилденген өнімдер түзілетін жолдарды қоса алғанда, жарық туғызатын жанама реакцияларды | Көрінетін жарық әсерінен тотықсыздану зерттеуі көрсеткендей, стандарттарды жарықтан қорғаңыз |
Соңғы нүктені көмескі ететін ақаулар
Соңғы нүкте тұрақсыз болғанда, алдымен ауаның әсерін тексеру керек. Лейкоформа, әсіресе сілтілік жүйелерде, оңай қайта тотығады. Сондықтан түссіз күйге жеткен титрлеу қоспасы тыныш тұрғанда немесе қатты айналдыра шайқағанда қайтадан көгеруі мүмкін. Күйдің сақталуы маңызды болса, ауаны аластатыңыз, шайқауды стандарттаңыз және көрсеткішті белгіленген уақытта оқыңыз.
Екінші ықтимал себеп — жарық. Бояғыш фотохимиялық тұрғыдан белсенді, ал донорлар болғанда сәулелендіру деметилденген өнімдер түзілетін жолдарды қоса алғанда, түрлі жолдармен оны түссіздендіруі мүмкін. Талдауға арналған бояғыш ерітінділерін қараңғыда сақтаңыз және соңғы нүктені күшті зертханалық шамдардың астында анықтамаңыз.
Үшінші себеп — концентрация. Тотыққан катиондар бірінің үстіне бірі орналасып, димерлер мен ірі агрегаттар түзеді; олардың жолағы шамамен 610–615 nm маңына ығысады. Сондықтан концентрлі ерітінді қоспалары болмаса да, күтілетін максимумнан ауытқыған болып көрінеді. Спектрлерді немесе соңғы нүктелерді бағаламас бұрын, ерітіндіні мономер басым болатын деңгейге дейін сұйылтыңыз.
Тағы екі байқалуы қиын жүйелі қателікке назар аудару керек, өйткені олар әсіресе төмен концентрациядағы жұмысқа әсер етеді. Бояғыш шыны–су шекарасында өлшеуге болатындай мөлшерде адсорбцияланады, бұл сұйылтылған стандарттар мен кинетикалық өлшеулерді бұрмалайды; дәлдік маңызды болғанда, полимер ыдыстар немесе кюветалар бұл мәселені шешеді. Сонымен қатар коммерциялық бояғышта Azure B сияқты туыстас тиазин қоспалары болуы мүмкін; бұрынғы тазарту зерттеулерінде олар арнайы алынып тасталған. Сондықтан талдамалық жұмыста метилен көгі деп белгіленген барлық құтының химиялық құрамы бірдей деп ойламай, тазалық санатын нақты көрсету қажет. Агрегациядан болатын ығысудың спектрлік егжей-тегжейі әдейі спектрлерге арналған бетте берілген.
Зертханалық жұмысқа арналған қысқа тексеру тізімі
Ерітіндіні буферлеңіз және әр потенциал мен әр соңғы нүктенің жанына pH мәнін жазыңыз. Оттек режимін бекітіңіз: Лейн–Эйнон типті жұмыста бу қабаты астында қайнату, басқа жағдайларда инертті газ қабаты немесе белгіленген уақыт. Мономерді байқауға жеткілікті сұйылтылған ерітіндімен жұмыс істеңіз, ерітінділерді жарықтан қорғаңыз, төмен концентрацияда полимер ыдыстарға басымдық беріңіз және бояғыштың тазалық санатын тіркеңіз. Егер мақсат шынымен pH анықтау болса, нағыз қышқыл-негіздік индикаторды немесе құрамы нақты белгіленген Таширо қоспасын таңдаңыз. Қоспаның аралығын метилен көгінің аралығы деп емес, тек қоспаның аралығы деп көрсетіңіз.
Осы тәртіп сақталғанда, негізгі қағида өзгермейді. Метилен көгі тотығу күйін ерекше айқын көрсетеді, өйткені оның екі күйінің көрінетін жарықты жұтуы бір-бірінен өте қатты ерекшеленеді. Түсті көрсетілген pH мәнінде, көрсетілген оттек пен жарық жағдайларында және көрсетілген тазалық санатындағы бояғышпен алынған тотығу-тотықсыздану көрсеткіші ретінде қабылдасаңыз, ол титрлеуде орынды қызмет атқарады. Оны лакмус деп қабылдасаңыз, ол әр жолы жаңылыстырады.