Nega metilen ko‘kining yorug‘likni yutishi konsentratsiyaga qarab o‘zgaradi

Metilen ko‘kining dastlabki eritmasi solingan bitta shishani olib, ikkita stakanga quying. Birinchisini dastlabki eritma bilan, ikkinchisini esa o‘n baravar suyultirilgan eritma bilan to‘ldiring. Kutilganidek, ikkinchi stakandagi rang ochroq bo‘ladi. Diqqat bilan qarasangiz, yana bir narsa o‘zgarganini ko‘rasiz. Rang tusi siljigan. Bir eritma tiniq osmonrangga, ikkinchisi esa binafsha tusli ko‘k rangga moyil. Suyultirish faqat rang jadalligini kamaytirmadi. U yorug‘likning asosiy qismini qaysi kimyoviy shakl yutishini ham o‘zgartirdi.

Bu siljishning mohiyati oddiy. Eritilgan metilen ko‘ki faqat bitta kimyoviy shakldan iborat emas. Monomer deb ataladigan yakka bo‘yoq kationi ikkinchi kation bilan yuzma-yuz joylashib, dimer hosil qilishi mumkin; dimerlar esa kattaroq agregatlarga birlashishi mumkin. Har bir shaklning o‘z yutilish spektri bor. Spektrofotometr ko‘rsatadigan natija — aynan shu sharoitda kyuvetada mavjud aralashma tarkibiy qismlarining yig‘indisi. Aralashmani o‘zgartirsangiz, bo‘yoqning umumiy miqdori oddiy suyultirish nisbatiga mos ravishda o‘zgarsa ham, spektr siljiydi.

Monomer va dimer yorug‘likni turlicha yutadi

Monomerni musbat zaryadi halqalar tizimi bo‘ylab taqsimlangan yassi karta sifatida tasavvur qiling. Shunday ikkita karta yuzma-yuz joylashishi mumkin. Musbat zaryadlar bir-birini itaradi, ammo yassi aromatik yuzalar ustma-ust joylashish o‘zaro ta’sirlari orqali tortishadi; atrofdagi suv va qarshi ionlar esa itarilishni ekranlaydi. Natijada umumiy elektron holatlarga ega bog‘langan juft hosil bo‘ladi. Uning ruxsat etilgan o‘tishlari monomer o‘tishiga qaraganda yuqoriroq energiyada joylashadi. Shu sababli dimer tasmasi monomer tasmasidan qisqaroq to‘lqin uzunligida paydo bo‘ladi, kattaroq agregatlar esa ko‘k tomonda yelkasimon qo‘shimcha hosil qiladi.

Toza suvda juda past konsentratsiyada monomerlar ustun bo‘ladi va uzun to‘lqinli tasma ham ustunlik qiladi. Umumiy konsentratsiya oshgani sari juftlashgan shaklning ulushi ortadi va qisqa to‘lqinli tasma birinchisiga nisbatan kuchayadi. Demak, ikkala tasmaning nisbati umumiy konsentratsiyani bevosita emas, aralashma tarkibini ko‘rsatadi. Qaysi shakl mavjudligi haqida faraz qilmasdan, bitta to‘lqin uzunligidagi o‘lchov bilan ularni ajratib bo‘lmaydi.

Shuning uchun etalon spektrlar doimo sharoitlari bilan birga berilishi kerak. Metilen ko‘kining spektral ma’lumotnomasi tasma joylashuvlarini ularni hosil qilgan erituvchi, tuz foni, pH, harorat va konsentratsiya diapazoni bilan birga jadvalda keltiradi. Shu sharoitlarsiz cho‘qqi qiymatini keltirsangiz, son yetarlicha aniqlashtirilmagan bo‘ladi. Ikki laboratoriya bir xil bo‘yoqning turli spektrlari haqida to‘g‘ri natija berishi mumkin, chunki ular turli aralashmalarni o‘lchagan.

Muvozanatni nima siljitadi

Konsentratsiya — asosiy boshqaruvchi omil. Dimer hosil bo‘lishi uchun ikkita monomer uchrashishi kerak, shu sababli uning ulushi bo‘yoqning umumiy konsentratsiyasiga nisbatan chiziqli o‘sishdan tezroq ortadi. Xona haroratiga yaqin sharoitda suvli eritmalar uchun qayd etilgan dimerlanish konstantalari minglab M⁻¹ darajasida bo‘ladi, shuning uchun mikromolyar diapazonda dimer ulushi keskin ortadi. Mikromolyardan millimolyargacha bo‘lgan bo‘yoq konsentratsiyalarini qamrab olgan keng global model moslashtirishida 34 mikromolyardan pastda ham tetramerning hissasi noldan farqli ekani aniqlangan. Bu o‘nlab mikromolyar konsentratsiyalarda faqat ikkita shaklga asoslangan modelga to‘liq ishonmaslik kerakligini ko‘rsatadi. Aniq ulushlar muhitga bog‘liq, shu sababli ushbu maqola universal qayta hisoblash jadvali emas, o‘zgarish yo‘nalishlarini beradi.

Tuz — ikkinchi omil. Erigan ionlar ikkita kation orasidagi itarilishni ekranlaydi, shuning uchun natriy xlorid va shunga o‘xshash elektrolitlar qo‘shilganda, bo‘yoq konsentratsiyasi o‘zgarmasa ham, aralashma dimerlar va agregatlar tomon siljiydi. Bu ta’sir metilen ko‘kining tuzli va suvli muhitlarda agregatsiyasini o‘rganish ishlarida ko‘rinadi: ularda taxminan 1 mikromolyardan 3.4 millimolyargacha bo‘yoq 0 dan 0.15 molyargacha natriy xlorid sharoitida o‘lchangan. Ushbu model moslashtirishida bo‘yoq ham, tuz ham yuqori bo‘lgan chegarada tetramer ulushi taxminan 0.93 ga yetgan. Demak, suvda qayd etilgan spektr bilan fiziologik tuzli eritmada qayd etilgan spektr bir-birining o‘rnini bosadigan etalonlar emas.

Harorat qarama-qarshi yo‘nalishda ta’sir qiladi. Ustma-ust joylashish bog‘langan suvni chiqarib yuboradi va unga issiqlik harakati qarshilik ko‘rsatadi. Shu sababli eritmani isitish odatda dimerlarning bir qismini yana monomerlarga ajratadi, sovitish esa birlashishni qo‘llab-quvvatlaydi. Modelga moslashtirilgan dissotsiatsiya entalpiyasi manfiy bo‘lib, 282 dan 333 kelvingacha bo‘lgan oraliqda moliga taxminan minus 30 kilojoulni tashkil etadi; bu birlashish ekzotermik ekanini tasdiqlaydi. Sovitkichdan olingan zahoti o‘lchangan sovuq namuna xona haroratiga moslashgandan keyin o‘lchangan ayni namunaga qaraganda ko‘proq agregatlangan ko‘rinishi mumkin.

Erituvchi boshlang‘ich holatni belgilaydi. Kuchli gidrofob ta’sirga ega suv yassi bo‘yoq kationlarining ustma-ust joylashishiga yordam beradi. Etanol va metanol kabi spirtlar halqalarni yaxshiroq solvatlaydi va agregatlarni ajratadi, shu sababli bir xil konsentratsiyadagi bo‘yoq etanolda suvdagiga qaraganda ko‘proq monomer holatida ko‘rinadi. Aproton qo‘shimcha erituvchilar ham shunday ta’sir qiladi: 293 kelvinda suv va DMSO aralashmalariga DMSO qo‘shilishi dimerlanishni susaytirgan. Bu suv tuzilishi ustma-ust joylashishni boshqaruvchi omil ekanini ko‘rsatadi. Sirt faol moddalarda ta’sirning ikkala yo‘nalishini ham hisobga olish kerak. Kritik mitsella konsentratsiyasidan yuqorida mitsellalar monomerlarni alohida solyubilizatsiya qilib, monomerga xos spektrni tiklashi mumkin. Bu nuqtadan pastda esa qarama-qarshi zaryadli sirt faol modda, aksincha, ustma-ust joylashishni kuchaytirishi mumkin: 100 mikromolyar bo‘yoqda SDS ta’siridagi polimerlanish taxminan 4 millimolyar SDS da, ya’ni mitsella hosil bo‘lish nuqtasining qariyb yarmida eng yuqori darajaga yetgan; sirt faol modda miqdori yana oshganda qayta taqsimlanish yuz bergan. Bo‘yoq–erituvchi va tuzilgan muhitlarning metilen ko‘ki spektrlariga ta’siri haqidagi ish kuzatiladigan tasmalarni faqat umumiy konsentratsiya emas, bevosita molekulyar atrof-muhit ham qanchalik kuchli belgilashini ko‘rsatadi.

pH asosan chekka qiymatlarda muhim. Ko‘pchilik laboratoriya ishlarida qo‘llanadigan neytralga yaqin diapazonda metilen ko‘ki o‘zining odatiy kationli ko‘k shaklida qoladi va spektrdagi o‘zgarishlarni asosan agregatsiya belgilaydi. Kuchli kislota yoki ishqor, rangsiz leyko shaklni hosil qiladigan oksidlanish-qaytarilish kimyosi yoxud oqsillar va zarrachalar bilan bog‘lanish monomer–dimer juftligidan tashqari holatlarni ham kiritadi. Bufer qo‘shilgandan keyin spektr o‘zgarsa, hammasini faqat pH bilan izohlashdan oldin bufer tarkibidagi tuz va bog‘lanishda qatnashuvchi komponentlarni tekshiring. Kimyo va protonlanish bo‘yicha ma’lumotnoma bu kimyoviy shaklni aniqlash masalalarini shu yerda ko‘rib chiqilgan agregatsiya masalasidan alohida tutadi.

Nega Ber–Lambertning to‘g‘ri chizig‘i egiladi

Ber–Lambert munosabatiga ko‘ra, absorbans yutish koeffitsiyenti, konsentratsiya va optik yo‘l uzunligining ko‘paytmasiga teng. Bu sanash qonunidir. U sanalayotgan obyektlar soni o‘zgarganda ham ularning aynan bir xil bo‘lib qolishini faraz qiladi: bitta yutuvchi kimyoviy shakl, o‘zgarmas spektr, konsentratsiyaga bog‘liq kimyoviy o‘zgarishlarning yo‘qligi, monoxromatik o‘lchov nuri, sochilish yoki qayta nurlanishning yo‘qligi hamda yorug‘likning haqiqatan ko‘rsatilgan yo‘lni bosib o‘tishi.

Agregatsiya birinchi farazni buzadi. Formal jihatdan umumiy absorbans har bir shakl hissalarining yig‘indisi bo‘lib qoladi: optik yo‘l uzunligi har bir shaklning yutish koeffitsiyenti va o‘z konsentratsiyasiga ko‘paytiriladi. Har bir shakl qonunga bo‘ysunadi. Aralashma esa bo‘ysunmaydi, chunki alohida shakllarning konsentratsiyalari umumiy bo‘yoq konsentratsiyasining nochiziqli funksiyalaridir. Shu sababli monomer tasmasidagi absorbansni umumiy bo‘yoq konsentratsiyasiga bog‘laydigan kalibrlash egri chizig‘i suyultirilgan chegarada to‘g‘ri boshlanadi, konsentratsiya oshgani sari esa pastga egiladi: har bir qo‘shimcha miqdor mutanosib ravishda kamroq monomer keltiradi. Dimer tasmasida o‘lchangan egri chiziq boshqa tomonga egiladi. Agregatsiya bo‘yicha ishlar kuzatilgan Lambert–Ber og‘ishlarining manbai sifatida aynan shu mexanizmni ko‘rsatadi. Egilgan sohaga to‘g‘ri chiziq moslashtirib, uni ekstrapolyatsiya qilish — odatiy xato. Chiziq faqat o‘zi tuzilgan diapazon va namuna matritsasi doirasida amal qiladi.

Suyultirish ham shunga bog‘liq xatoga olib kelishi mumkin. Konsentrlangan dastlabki eritmani asbob diapazoniga tushirish uchun suyultirish kimyoviy shakllar nisbatini saqlamaydi. Suyultirilgan kyuvetadagi muvozanat monomer tomon qayta o‘rnatiladi, shuning uchun uning spektri suyultirilgan namunani to‘g‘ri, dastlabki eritmani esa noto‘g‘ri tavsiflaydi. Absorbanslarni kattalashtirib, dastlabki eritma spektrini teskari hisoblash faqat kalibrlash bu siljishni allaqachon hisobga olgan bo‘lsagina umumiy miqdor bahosini tiklaydi. U hech qachon tasmaning dastlabki shaklini tiklamaydi. Konsentrat spektrini suyultirilgan etalon bilan solishtirayotgan kishi ikkita turli aralashmani solishtirayotgan bo‘ladi.

Optik yo‘l uzunligi natijaning bir qismidir

Absorbans yorug‘likning namuna ichida bosib o‘tadigan masofasiga mutanosib. Bir xil eritma solingan 10 mm kyuveta 1 mm kyuvetaga qaraganda o‘n baravar yuqori absorbans beradi. Bu nisbat faqat aynan bir xil eritma uchun aniq amal qiladi; agregatsiya esa bu shartni hal qiluvchi qiladi.

Amaliyotda optik yo‘l uzunligi yaroqli diapazonda qolish vositasidir. Uzun yo‘l suyultirilgan, asosan monomerlardan iborat eritmalar uchun sezgirlik beradi. Qisqa yo‘l esa konsentrlangan namunani muvozanatni qayta o‘rnatadigan katta suyultirish bosqichisiz o‘lchov shkalasida ushlab turadi. Yuqoridagi raqamlarga asos bo‘lgan agregatsiya tadqiqotida aynan shu usul qo‘llangan: 1.1 dan 34 mikromolyargacha bo‘yoq uchun 1 santimetrli kyuvetalar, 94 mikromolyardan 3.4 millimolyargacha bo‘yoq uchun esa 0.01 santimetrli kyuvetalar ishlatilgan. Mikro-hajmli o‘lchov platformalari va planshet o‘quvchi asboblar o‘ziga xos geometriyani qo‘shadi: ularda qisqa, ba’zan o‘zgaruvchan optik yo‘llar va kationli bo‘yoq adsorbsiyalanishi mumkin bo‘lgan yuzalar bor. Spektral ma’lumotnoma erituvchi va tuzni ko‘rsatganidek, qiymat bilan birga optik yo‘lni ham ko‘rsating. Optik yo‘l uzunligisiz absorbans natija emas. U shunchaki mish-mish.

O‘lchashdagi tartib-intizom mexanizmdan kelib chiqadi. O‘lchashdan oldin namunalarni bir xil haroratga keltiring. Bir xil turdagi va bir xil yo‘nalishda qo‘yilgan kyuvetalardan, bir xil tuz va bufer foniga ega taqqoslash eritmalaridan hamda toza laboratoriya idishlaridan foydalaning. Chunki metilen ko‘ki shisha va plastikka adsorbsiyalanadi, bo‘yalgan kyuveta esa oxirgi konsentrlangan namunaning izini saqlaydi. Agregatsiya kinetikasi muhim bo‘lganda, tayyorlashdan keyin tezda o‘lchang va har bir kalibrlash egri chizig‘ini noma’lum namunalar bilan bir xil matritsada, bir xil optik yo‘l uzunligida tuzing. Ko‘z bilan tekshirganda, ko‘z yaxshi spektrometr emasligini unutmang. Eritma rangi tozalikni aniqlay oladimi — alohida savol bo‘lib, javobi salbiy; agregatsiya tufayli rang tusining siljishi buning sabablaridan biridir.

Asbob yonida saqlash uchun diagramma

Quyidagi rasm maqolani bitta laboratoriya ma’lumotnomasiga jamlaydi. Uchala eritmada bir xil bo‘yoq bor, ammo ularning umumiy konsentratsiyasi va tuz foni farq qiladi. Ularning sxematik spektrlari ustma-ust joylashish kuchaygani sari uzun to‘lqinli monomer tasmasining ulushi qisqaroq to‘lqinli dimer tasmasiga o‘tishini ko‘rsatadi. Sharoitlar rasmda yozilgan, chunki ularsiz egri chiziqlardan qayta foydalanib bo‘lmaydi. Ko‘rsatilgan sharoitlarda o‘lchangan tasma joylashuvlari uchun spektral ma’lumotnomadan foydalaning. Bo‘yoq eritmaga o‘tgach hujayralarga qanday kirishi haqida qaytarilish va fazalar o‘rtasida taqsimlanish orqali hujayraga kirish maqolasini ko‘ring. Yorug‘lik dozasi va geometriya fotokimyoviy o‘lchov natijalarini yana qanday shakllantirishi haqida yorug‘lik ta’siri va o‘lchash geometriyasi maqolasini ko‘ring.

Esda saqlanadigan qoida ikki qismdan iborat. Spektr ko‘rsatilgan sharoitlarda kyuvetada mavjud aralashmani aniqlaydi. Faqat aynan shu sharoitlarda tuzilgan kalibrlash absorbansni umumiy konsentratsiyaga aylantiradi.