القياس الطيفي لثابت التوازن

يمكن أن يوفر تحديد ثابت التوازن للتفاعل الكيميائي معلومات مهمة حول مدى تكوين المنتجات بمرور الوقت.

يرتبط كل تفاعل كيميائي بثابت اتزان ، K ، والذي يعكس نسبة تركيزات النواتج والمتفاعلات عندما يتوقف التفاعل عن التقدم. لقياس K ، يجب تحديد هذه التركيزات.

إذا كان التفاعل يحتوي على مكون ملون واحد ، فيمكن قياس تفاعله مع الضوء لتمييز تركيزه. يمكن بعد ذلك حساب تركيزات المكونات غير الملونة بشكل غير مباشر باستخدام المعادلة الكيميائية المتوازنة. سيوضح هذا الفيديو استخدام مقياس الطيف الضوئي لتحديد ثابت التوازن تجريبيا لتفاعل الثيوسيانانتي الحديدي.

تسير معظم التفاعلات الكيميائية في كلا الاتجاهين الأمامي والعكسي. مع تقدم التفاعل ، يصل إلى نقطة تحدث فيها التفاعلات الأمامية والعكسية بنفس المعدل. يعرف هذا باسم التوازن الكيميائي. في هذه الحالة المستقرة ، تتوافق نسبة تركيزات الناتج إلى تركيزات المتفاعلة ، كل منها مرفوعة إلى قوة معاملاتها المتكافئة ، مع ثابت التوازن ، K. لقياس K لنظام الاهتمام ، يجب معرفة المعاملات ، ويجب تحديد التركيزات ، إما بشكل مباشر أو غير مباشر. وفقا لقانون بير لامبرت ، يتناسب تركيز الأنواع الملونة مع امتصاصها ، وهي كمية الطاقة التي تمتصها عند طول موجي معين من الضوء. يمكن التعبير عن ذلك رياضيا ، حيث A هو الامتصاص ، والإبسيلون هو معامل التوهين المولي ، وهو خاص بالمركب ، و l هو طول المسار عبر العينة ، و c هو التركيز. يتم إنشاء منحنى المعايرة عن طريق اختبار محاليل متعددة ذات تركيز معروف ، ورسم قيم الامتصاص الناتجة. باستخدام منحنى المعايرة هذا ، يمكن دراسة المحاليل ذات التركيز غير المعروف. تستخدم قياسات الامتصاص لتحديد تركيز الأنواع الملونة. بعد ذلك ، يمكن حساب تركيزات المواد المتفاعلة والمنتجات المتبقية. سيدرس الإجراء التالي تفاعل الحديد الثالث مع الثيوسيانات لتشكيل مركب ثيوسيانات الحديد.

بمجرد تحديد التركيزات ، يمكن حساب قيمة K باستخدام جدول التغير الأولي ، أو ICE ، والذي سيتم شرحه بمزيد من التفصيل في النتائج.

الآن بعد أن فهمت كيف يمكن استخدام طرق القياس الطيفي لتحديد ثابت التوازن ، فأنت جاهز لبدء الإجراء.

قبل قياس العينة ، يجب إنشاء منحنى معايرة.

للبدء ، قم بصفر مقياس الطيف الضوئي للأشعة فوق البنفسجية باستخدام الماء المقطر كفارغ لتمثيل عدم الامتصاص. عند إدخال كوفيت في مقياس الطيف الضوئي ، تأكد من توجيهه بحيث يمر الضوء عبر الجوانب الشفافة ، وأن مستوى السائل أعلى من مسار الحزمة.

بعد ذلك ، قم بإعداد 5 أنابيب اختبار تحتوي على الأحجام المشار إليها لكل محلول متفاعل كما هو موضح في بروتوكول النص ، والتي ستنتج تركيزات متفاوتة من المنتج. غطي كل أنبوب بإصبع مرتديا قفازا ، ورجه برفق حتى يمتزج. اترك الأنابيب ترتاح لمدة 10 دقائق.

استخدم ماصة باستور لنقل كمية صغيرة من عينة متوسط التركيز، المحلول 3، إلى كوفيت، ووضعها في مقياس الطيف الضوئي. احصل على طيف وسجل λ_max (الحد الأقصى للطول الموجي) ، maxa lambda ، وامتصاصه. ثم ، بدءا من المحلول الأكثر تمييعا ، قم بقياس امتصاص جميع المحاليل المتبقية عند λ_{كحد أقصى} (lambda max). استخدمي نفس الكوفيت لجميع القياسات، مع التأكد من شطفه 3 مرات بين كل عينة. كرر هذه العملية للحلول 2-5.

ارسم الامتصاص المقاس مقابل تركيز ثيوسيانات الحديد لكل محلول. حدد الخط الأنسب للبيانات. ميل هذا الخط هو معامل التوهين المولاري.

الآن بعد أن تم الحصول على بيانات الحلول القياسية ، قم بإعداد أربعة أنابيب اختبار متوسطة تحتوي على الأحجام المشار إليها من الحلول كما هو موضح في بروتوكول النص.

غطي كل أنبوب بإصبع ورجه برفق حتى يمتزج. اسمح لهم بالوقوف لمدة 10 دقائق على الأقل. تسمح فترة الراحة هذه للحلول بالوصول إلى التوازن الكيميائي.

استخدم ماصة باستور لنقل كمية صغيرة من المحلول 6 إلى الكوفيت، ووضعها في مقياس الطيف الضوئي. احصل على طيف وسجل الامتصاص المقاس بالحد الأقصى المحدد_مسبقا. كرر هذه العملية للحلول من 7 إلى 9.

بمجرد قياس جميع العينات ، يمكن تحليل بيانات المولارية والامتصاص للمحاليل 1 - 5. تم استخدام فائض كبير من الثيوسيانات لضمان تفاعل كل الحديد ، مما يبسط التحليل.

يتم رسم البيانات لإنشاء منحنى معايرة. يبلغ طول مسار الضوء ، l ، عادة 1 سم ، ويمكن استبعاده من الحسابات. وبالتالي فإن ميل الخط ، الذي تم حسابه ليكون 7600 ، هو معامل التوهين. بالنسبة لحلول الاختبار 6-9 ، يتم استخدام هذه القيمة والامتصاص لحساب تركيزات ثيوسيانات الحديد عند التوازن. باستخدام هذه البيانات ، يمكن بعد ذلك استخدام جدول ICE.

تركيزات المواد المتفاعلة الأولية على المولاريات المعروفة للحديد والثيوسيانات المضافة إلى المحلول ، والحجم الكلي للتفاعل. نظرا لأن المنتج يتكون من تفاعل 1: 1 للحديد والثيوسيانات ، فإن تركيز التوازن لكل منهما ينخفض بمقدار المنتج المتكون. تركيز التوازن لكل نوع معروف الآن. تستخدم هذه القيم لحساب ثابت التوازن لكل محلول. القيم ثابتة تقريبا على مدى التركيزات المدروسة.

مفهوم ثابت التوازن مهم لمجموعة واسعة من المجالات العلمية. يمكن استخدام ثابت التوازن لتوفير معلومات مفيدة حول مدى تكوين التفاعل للنواتج بمرور الوقت. في هذا المثال ، لوحظ تفاعلان يحتويان على اللون البنفسجي البلوري.

كان المحلول الأول يتكون من البنفسج البلوري وهيدروكسيد الصوديوم. لوحظ أن اللون يتغير بسرعة من الأرجواني إلى عديم اللون. هذا التفاعل له قيمة K كبيرة جدا ، مما يشير إلى أن المنتجات تتشكل بالكامل تقريبا بمرور الوقت.

ثم تفاعل البنفسجي الكريستالي مع أسيتات الصوديوم. ظل هذا الحل أرجوانيا إلى أجل غير مسمى. هذا التفاعل له قيمة K منخفضة جدا ، لذلك لا يتقدم إلى الأمام بدرجة كبيرة.

أخيرا ، يمكن استخدام ثابت التفكك - نوع معين من ثابت التوازن - لوصف سلوك البروتين. في هذا المثال ، تمت مراقبة التغييرات في بنية الحمض النووي الريبي في مخازن تفاعل المغنيسيوم.

تم خلط الحمض النووي الريبي المنقى في محلول بتركيزات معروفة من المغنيسيوم ، وسمح له بالوصول إلى التوازن. ثم تم رسم هيكل الحمض النووي الريبي الناتج.

في هذه الحالة ، تسببت التركيزات العالية من المغنيسيوم في تقليل حماية المواقع التفاعلية على الحمض النووي الريبي ، مما ينتج عنه Kd نصف القيمة.

لقد شاهدت للتو مقدمة JoVE للتحديد الطيفي لثابت التوازن. يجب أن تفهم الآن العلاقة التي يحددها قانون بير لامبرت ، وكيفية تحديد التركيز من الامتصاص باستخدام مقياس الطيف الضوئي ، وكيفية حساب ثابت التوازن باستخدام تركيزات التوازن.

شكرا للمشاهدة!