Warum funktioniert Chromatographie?

Die Chromatographie identifiziert verschiedene Chemikalien basierend auf den Eigenschaften und der Mobilität der Moleküle in der zu analysierenden Verbindung. Mit der Chromatographie können Wissenschaftler Flüssigkeiten und Gase trennen, von Erdöl und DNA bis hin zu Chlorophyll und Stifttinten. Die Schüler können die Chromatographie auch für Experimente und lustige Projekte verwenden.

„Chromat-“ kommt vom griechischen Wort „chroma“, was Farbe bedeutet. „-Graphy“ kommt vom lateinischen „-graphia“ oder griechischen „graphein“ und bedeutet (nach Merriam-Webster) „Schreiben oder Darstellung in a (spezifizierte) Weise oder durch ein (spezifiziertes) Mittel oder eines (spezifizierten) Objekts." Chromatographie bedeutet daher wörtlich zu schreiben oder darzustellen mit Farbe. Eine formalere Definition von Merriam-Webster besagt, dass Chromatographie "ein Prozess ist, bei dem ein chemisches Gemisch, das von einer Flüssigkeit oder einem Gas getragen wird, durch unterschiedliche Verteilung der gelösten Stoffe beim Um- oder Überströmen einer stationären Flüssigkeit oder eines festen Stoffes in Komponenten zerlegt Phase."

Chromatographie funktioniert aufgrund von Unterschieden in den Eigenschaften von Molekülen in Materialien. Einige Moleküle, wie Wasser, haben Polarität, also wirken sie wie kleine Magnete. Einige Moleküle sind ionisch, das heißt, die Atome werden durch ihre Ladungsunterschiede zusammengehalten, wiederum wie kleine Magnete. Einige Moleküle unterscheiden sich in Form und Größe. Diese Unterschiede in den molekularen Eigenschaften ermöglichen es Wissenschaftlern, Verbindungen mittels Chromatographie in einzelne Moleküle zu trennen.

Die Chromatographie hängt auch von der Beweglichkeit der Moleküle ab. Mit anderen Worten, die Beweglichkeit der Moleküle bestimmt, ob die Chromatographie funktioniert. Um Moleküle in eine mobile Phase zu bringen, muss die Substanz entweder in einem Lösungsmittel gelöst werden oder die Substanz in einer flüssigen oder gasförmigen Phase vorliegen. Wird ein Lösungsmittel verwendet, richtet sich das Lösungsmittel nach dem abzutrennenden Material. Flüssigkeits- und Gasgemische können durch ein Material geschoben oder gezogen werden, das die Moleküle beim Durchgang absorbiert. Unabhängig davon, welches Material analysiert wird, muss das Material eine mobile Phase haben, damit die Chromatographie funktioniert.

Obwohl sich Chromatographietechniken unterscheiden, hängen sie alle von einer Kombination aus molekularen Unterschieden und Materialmobilität ab. Chromatographie funktioniert, indem das gelöste Material, Flüssigkeit oder Gas durch ein Filtermaterial geleitet wird. Die Moleküle trennen sich in Schichten, wenn die Moleküle den Filter passieren. Der Trennmechanismus hängt von der Filtermethode ab, die durch die Art der abzutrennenden Moleküle bestimmt wird. Doch egal welche Methode angewendet wird, die Moleküle wandern mit unterschiedlicher Geschwindigkeit durch den Filter und teilen die Moleküle in Schichten auf, die oft als farbige Linien im Filtermaterial erscheinen.

Im Allgemeinen wandern die größeren oder schwereren Moleküle langsamer durch das Filtermaterial als die kleineren oder leichteren Moleküle. Die Moleküle trennen sich, während sie sich bewegen, weil sie sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen und wie Sedimente aus dem Wasser fallen, wenn das Volumen oder die Energie des Wassers sinkt.

Während viele Chromatographietests spezielle Geräte und Techniken erfordern, kann Chromatographie in einigen Heim- und Schulexperimenten mit einfachen Materialien verwendet werden.

Analyse von Stifttinten

Eine einfache Demonstration der Chromatographie verwendet Kaffeefilter und verschiedene Markierungsstifte. Wenn die Stifte wasserlösliche Tinten verwenden, wird als Lösungsmittel Wasser verwendet. Wenn die Marker permanente Tinte verwenden, dient Isopropylalkohol oft als Lösungsmittel. Beginnen Sie damit, einen Kaffeefilter flach zu drücken. Legen Sie den Kaffeefilter auf einen Einwegteller oder ein anderes Material, um eine Verfärbung der darunter liegenden Oberflächen zu vermeiden. Verwenden Sie verschiedene Stifte, um Punkte um den mittleren Teil des Filters zu machen. Geben Sie Wasser oder Alkohol in die Mitte des Kaffeefilters. Dafür eignet sich ein Teelöffel gut. Fügen Sie nicht genug Flüssigkeit hinzu, um eine Pfütze zu bilden; das Wasser oder der Alkohol sollte sich aus der Mitte heraus ausdehnen. Wenn sich die Flüssigkeit aus der Mitte heraus bewegt, lösen sich die Tinten auf und bewegen sich von der Mitte nach außen. Verschiedene Pigmente in den Tinten werden getrennt, vom anfänglichen Tintenfleck ausgeführt und in Reihen basierend auf den Pigmentmolekülen aufgetragen.

Chlorophyll-Chromatographie

Ein etwas komplizierteres, aber ebenso interessantes Chromatographie-Projekt trennt das in Blättern gefundene Chlorophyll. Chlorophyll kommt in den Blättern von Pflanzen vor. Obwohl Chlorophyll grün ist, enthalten die meisten Blätter auch zusätzliche Pigmente wie Carotinoide, die die roten und orangen Farben erzeugen, die Sie im Herbst sehen. Diese Carotinoide und andere Pigmente werden beim Abbau des grünen Chlorophylls sichtbar, weshalb die Blätter der sommergrünen Pflanzen im Herbst unterschiedliche Farben zeigen. Beginnen Sie mit der Auswahl mehrerer grüner Blätter. Zerdrücken Sie die Blätter und weichen Sie die Stücke in Isopropylalkohol oder Aceton (auch Propanon genannt) ein. Das Chlorophyll wird aus den Blättern ausgewaschen und die Flüssigkeit wird grün.

• Isopropylalkohol und Aceton sind beide entzündlich. Stellen Sie diese nicht in der Nähe von oder mit Flammen oder einer Wärmequelle auf und verwenden Sie diese nicht.

Um die Pigmente zu trennen, schneiden Sie etwa einen Zoll breiten Streifen aus der Mitte eines abgeflachten Kaffeefilters oder verwenden Sie Chromatographiepapier. Kleben Sie ein Ende des Papiers auf einen Bleistift. Gießen Sie etwa 1 Zoll der Flüssigkeit in einen Behälter, der etwas kürzer als der Papierstreifen ist. Lege den Bleistift über die Oberseite des Behälters, sodass die Unterseite des Papiers in der Flüssigkeit liegt. Durch die Kapillarwirkung steigt die Flüssigkeit im Papier auf und trägt das Chlorophyll und andere Pigmentmoleküle mit. Wenn die Flüssigkeit verdunstet, bleiben die Moleküle auf dem Papier zurück und erzeugen Pigmentstreifen. Entfernen Sie das Papier, wenn die Linien deutlich werden, denn wenn das Papier zu lang bleibt, trägt die Flüssigkeit schließlich alle Pigmentmoleküle an die Oberseite des Papiers.