БУМАЖНАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ

Эта страница представляет собой введение в бумажную хроматографию, включая двустороннюю хроматографию.

Проведение бумажной хроматографии

Фон

Хроматография используется для разделения смесей веществ на их компоненты. Все формы хроматографии работают по одному и тому же принципу.

Все они имеют неподвижную фазу (твердое тело или жидкость, нанесенную на твердое тело) и подвижную фазу (жидкость или газ). Подвижная фаза протекает через неподвижную фазу и уносит с собой компоненты смеси. Различные компоненты перемещаются с разной скоростью. Мы рассмотрим причины этого далее на странице.

В бумажной хроматографии неподвижной фазой является очень однородная впитывающая бумага. Подвижная фаза представляет собой подходящий жидкий растворитель или смесь растворителей.

Изготовление бумажной хроматограммы

Возможно, вы использовали бумажную хроматографию как одно из первых занятий в химии для разделения смесей цветных красителей, например красителей, из которых состоят определенные чернила. Это простой пример, так что давайте начнем оттуда.

Предположим, у вас есть три синие ручки, и вы хотите узнать, какой из них вы написали сообщение. Образцы каждой краски наносятся на карандашную линию, проведенную на листе хроматографической бумаги. Часть чернил из сообщения растворяется в минимально возможном количестве подходящего растворителя и также наносится на ту же линию. На схеме ручки обозначены цифрами 1, 2 и 3, а чернила для сообщений — буквой М.

Бумага подвешена в контейнере с неглубоким слоем подходящего растворителя или смеси растворителей. Важно, чтобы уровень растворителя был ниже линии с пятнами на ней. Следующая диаграмма не показывает деталей того, как подвешивается бумага, потому что существует слишком много возможных способов сделать это, и это загромождает диаграмму. Иногда бумага просто сворачивается в свободный цилиндр и скрепляется скрепками сверху и снизу. Затем цилиндр просто стоит на дне контейнера.

Контейнер накрывают крышкой, чтобы убедиться, что атмосфера в стакане насыщена парами растворителя. Насыщение атмосферы в стакане паром предотвращает испарение растворителя, когда он поднимается вверх по бумаге.

По мере того, как растворитель медленно перемещается вверх по бумаге, различные компоненты красочных смесей перемещаются с разной скоростью, и смеси разделяются на пятна разного цвета.

На диаграмме показано, как может выглядеть пластина после того, как растворитель переместился почти доверху.

На окончательной хроматограмме довольно легко увидеть, что ручка, написавшая сообщение, содержала те же красители, что и ручка 2. Вы также можете видеть, что ручка 1 содержит смесь двух разных синих красителей, одна из которых может быть . такой же, как одиночный краситель в ручке 3.

R _f значения

Некоторые соединения в смеси перемещаются почти так же далеко, как и растворитель; некоторые остаются намного ближе к базовой линии. Расстояние, пройденное относительно растворителя, является постоянным для конкретного соединения, пока вы сохраняете постоянным все остальное — например, тип бумаги и точный состав растворителя.

Расстояние, пройденное относительно растворителя, называется значением R _f . Для каждого соединения это можно рассчитать по формуле:

Например, если один компонент смеси прошел 9,6 см от базовой линии, а растворитель прошел 12,0 см, то значение R _f для этого компонента равно:

В примере, который мы рассмотрели с различными ручками, не было необходимости измерять R _f , потому что вы проводите прямое сравнение, просто глядя на хроматограмму.

Вы делаете предположение, что если на итоговой хроматограмме есть два пятна одного цвета, которые прошли одинаковое расстояние вверх по бумаге, то, скорее всего, это одно и то же соединение. Конечно, это не обязательно верно — у вас могут быть два соединения одинакового цвета с очень похожими значениями R _f . Ниже мы рассмотрим, как можно обойти эту проблему.

Что делать, если интересующие вас вещества бесцветны?

В некоторых случаях можно сделать пятна видимыми, реагируя с чем-то, что дает окрашенный продукт. Хорошим примером этого являются хроматограммы, полученные из смесей аминокислот.

Предположим, у вас есть смесь аминокислот и вы хотите выяснить, какие именно аминокислоты она содержит. Для простоты предположим, что вы знаете, что смесь может содержать только пять обычных аминокислот.

Маленькую каплю раствора смеси помещают на изнаночную сторону листа, а рядом с ней такие же маленькие точки известных аминокислот. Затем бумагу выдерживают в подходящем растворителе и оставляют для проявления, как и раньше. На схеме смесь М, а известные аминокислоты обозначены цифрами от 1 до 5.

Положение фронта растворителя отмечают карандашом, дают хроматограмме высохнуть и затем распыляют раствор нингидрина . Нингидрин реагирует с аминокислотами с образованием окрашенных соединений, в основном коричневого или фиолетового цвета.

На левой диаграмме показана бумага после того, как фронт растворителя почти достиг вершины. Пятна до сих пор не видны. На второй диаграмме показано, как это может выглядеть после опрыскивания нингидрином.

Нет необходимости измерять значения R _f , потому что вы можете легко сравнить пятна в смеси с пятнами известных аминокислот — как по их положению, так и по их цвету.

В этом примере смесь содержит аминокислоты, обозначенные цифрами 1, 4 и 5.

А что, если смесь содержит аминокислоты, отличные от тех, которые мы использовали для сравнения? В смеси будут пятна, не соответствующие известным аминокислотам. Вам придется повторить эксперимент, используя другие аминокислоты для сравнения.

Двухсторонняя бумажная хроматография

Двухсторонняя бумажная хроматография решает проблему разделения веществ с очень похожими значениями R _f значения.

Я собираюсь вернуться к разговору об окрашенных соединениях, потому что гораздо легче увидеть, что происходит. Вы вполне можете сделать это с бесцветными соединениями, но для объяснения происходящего вам придется использовать довольно много воображения!

На этот раз хроматограмму делают, начиная с одной точки смеси, расположенной ближе к одному концу базовой линии. Его, как и раньше, выдерживают в растворителе и оставляют до тех пор, пока фронт растворителя не приблизится к верхней части бумаги.

На схеме положение фронта растворителя отмечено карандашом до высыхания бумаги. Он обозначен как SF1 — фронт растворителя для первого растворителя. Мы будем использовать два разных растворителя.

Если вы присмотритесь, вы сможете увидеть, что большое центральное пятно на хроматограмме частично синее, а частично зеленое. Два красителя в смеси имеют практически одинаковые значения R _f . Конечно, они с одинаковым успехом могли быть и одного и того же цвета — и в этом случае вы не могли бы сказать, присутствовал ли в этом месте один или несколько красителей.

Теперь вы должны дождаться полного высыхания бумаги, затем повернуть ее на 90° и снова проявить хроматограмму в другом растворителе.

Очень маловероятно, что два сбивающих с толку пятна будут иметь такие же значения R _f во втором растворителе, как и в первом, и поэтому пятна будут перемещаться на разную величину.

На следующей диаграмме показано, что может произойти с различными точками на исходной хроматограмме. Положение второго фронта растворителя также отмечено.

Вы, конечно, не увидите эти точки ни в исходном, ни в конечном положении — они сдвинулись! Окончательная хроматограмма будет выглядеть так:

Двухфакторная хроматография полностью разделила смесь на четыре отдельных пятна.

Если вы хотите идентифицировать пятна в смеси, вы, очевидно, не можете сделать это с веществами сравнения на той же хроматограмме, которую мы рассматривали ранее на примере ручек или аминокислот. В итоге вы получите бессмысленный беспорядок из пятен.

Однако вы можете рассчитать значения R _f для каждой точки в обоих растворителях, а затем сравнить их со значениями, измеренными вами для известных соединений в точно таких же условиях.

Как работает бумажная хроматография?

Хотя бумажная хроматография проста в применении, ее довольно сложно объяснить по сравнению с тонкослойной хроматографией. Объяснение в некоторой степени зависит от того, какой растворитель вы используете, и многие источники полностью замалчивают проблему. Если вы еще этого не сделали, было бы полезно, если бы вы могли прочитать объяснение того, как работает тонкослойная хроматография (ссылка ниже). Это сэкономит мне много повторений, и я смогу сосредоточиться на задачах.

Используйте кнопку НАЗАД в браузере, чтобы быстро вернуться на эту страницу, когда вы ее прочтете.

Основная структура бумаги

Бумага изготовлена ​​из волокон целлюлозы, а целлюлоза представляет собой полимер простого сахара, глюкозы.

Ключевым моментом в отношении целлюлозы является то, что вокруг полимерных цепей торчат -ОН-группы. В этом отношении он представляет собой такую ​​же поверхность, как силикагель или оксид алюминия в тонкослойной хроматографии.

Было бы заманчиво попытаться объяснить хроматографию на бумаге с точки зрения того, как разные соединения в разной степени адсорбируются на поверхности бумаги. Другими словами, было бы неплохо иметь возможность использовать одно и то же объяснение как для тонкослойной, так и для бумажной хроматографии. К сожалению, все гораздо сложнее!

Сложность возникает из-за того, что волокна целлюлозы притягивают водяной пар из атмосферы, а также любую воду, которая присутствовала при изготовлении бумаги. Таким образом, вы можете думать о бумаге как о волокнах целлюлозы с очень тонким слоем молекул воды, связанных с поверхностью.

Именно взаимодействие с этой водой является наиболее важным эффектом при бумажной хроматографии.

Хроматография на бумаге с использованием неполярного растворителя

Предположим, вы используете неполярный растворитель, например гексан, для проявления хроматограммы.

Неполярные молекулы в смеси, которую вы пытаетесь разделить, будут мало притягиваться к молекулам воды, присоединенным к целлюлозе, и поэтому большую часть времени будут растворяться в движущемся растворителе. Таким образом, молекулы, подобные этой, будут перемещаться по бумаге, удерживаемой растворителем. Они будут иметь относительно высокие значения R _f .

С другой стороны, полярные молекулы будет иметь сильное притяжение к молекулам воды и гораздо меньше к неполярному растворителю. Поэтому они будут склонны к растворению в тонком слое воды вокруг волокон целлюлозы гораздо больше, чем в движущемся растворителе.

Поскольку они проводят больше времени в стационарной фазе и меньше времени в подвижной фазе, они не собираются очень быстро перемещаться по бумаге.

Тенденция соединения делить свое время между двумя несмешивающимися растворителями (такими как гексан и вода, которые не смешиваются) известна как 9.0074 раздел . Таким образом, бумажная хроматография с использованием неполярного растворителя относится к типу распределительной хроматографии .

Хроматография на бумаге с использованием воды и других полярных растворителей

Немного подумав, вы поймете, что разделение не может быть объяснением, если вы используете воду в качестве растворителя для вашей смеси. Если у вас есть вода в качестве подвижной фазы и вода, связанная с целлюлозой в качестве неподвижной фазы, не может быть никакой значимой разницы между количеством времени, которое вещество проводит в растворе в любой из них. Все вещества должны быть одинаково растворимы (или одинаково нерастворимы) в обоих.

И все же первые хроматограммы, которые вы сделали, вероятно, были чернилами, использующими воду в качестве растворителя.

Если вода работает и как подвижная фаза, и как стационарная, то должен действовать какой-то совершенно другой механизм, и это должно быть в равной степени верно и для других полярных растворителей, таких как, например, спирты. Разделение происходит только между растворителями, которые не смешиваются друг с другом. Полярные растворители, такие как небольшие спирты, смешиваются с водой.

Изучая эту тему, я не нашел простого объяснения тому, что происходит в этих случаях. Большинство источников полностью игнорируют проблему и просто цитируют объяснение раздела, не делая никаких поправок на тип используемого растворителя.