Γιατί λειτουργεί η χρωματογραφία;

Η χρωματογραφία προσδιορίζει διαφορετικές χημικές ουσίες με βάση τις ιδιότητες και την κινητικότητα των μορίων στην ένωση που αναλύεται. Η χρωματογραφία επιτρέπει στους επιστήμονες να διαχωρίζουν υγρά και αέρια που κυμαίνονται από πετρέλαιο και DNA έως χλωροφύλλη και μελάνια. Οι μαθητές μπορούν επίσης να χρησιμοποιήσουν χρωματογραφία για πειράματα και διασκεδαστικά έργα.

Το "Chromat-" προέρχεται από την ελληνική λέξη "chroma", που σημαίνει χρώμα. Το "-Graphy" προέρχεται από τη λατινική "-grafia" ή την ελληνική "graphein" και σημαίνει (ανά Merriam-Webster) "γραφή ή παράσταση σε (καθορισμένος) τρόπος ή με ένα (καθορισμένο) μέσο ή ένα (καθορισμένο) αντικείμενο. "Η χρωματογραφία συνεπώς σημαίνει κυριολεκτικά την εγγραφή ή την αναπαράσταση με χρώμα. Ένας πιο επίσημος ορισμός από τη Merriam-Webster δηλώνει ότι η χρωματογραφία είναι «μια διαδικασία στην οποία ένα χημικό μείγμα που μεταφέρεται από ένα υγρό ή αέριο είναι διαχωρίζονται σε συστατικά ως αποτέλεσμα της διαφορικής κατανομής των διαλυμάτων καθώς ρέουν γύρω ή πάνω από ένα στατικό υγρό ή στερεό φάση."

Η χρωματογραφία λειτουργεί λόγω διαφορών στις ιδιότητες των μορίων στα υλικά. Μερικά μόρια, όπως το νερό, έχουν πολικότητα, έτσι δρουν σαν μικροί μαγνήτες. Μερικά μόρια είναι ιονικά, που σημαίνει ότι τα άτομα συγκρατούνται από τις διαφορές φορτίου τους, και πάλι σαν μικροί μαγνήτες. Μερικά μόρια διαφέρουν σε σχήμα και μέγεθος. Αυτές οι διαφορές στις μοριακές ιδιότητες επιτρέπουν στους επιστήμονες να διαχωρίσουν τις ενώσεις σε μεμονωμένα μόρια χρησιμοποιώντας χρωματογραφία.

Η χρωματογραφία εξαρτάται επίσης από την κινητικότητα των μορίων. Με άλλα λόγια, η ικανότητα των μορίων να μετακινούνται καθορίζει εάν λειτουργεί η χρωματογραφία. Η τοποθέτηση μορίων σε μια κινητή φάση απαιτεί είτε τη διάλυση της ουσίας σε έναν διαλύτη είτε την ύπαρξη της ουσίας σε ένα υγρό ή αέριο στάδιο. Εάν χρησιμοποιείται διαλύτης, ο διαλύτης εξαρτάται από το υλικό που θα διαχωριστεί. Τα μείγματα υγρών και αερίων μπορούν να ωθηθούν ή να τραβηχτούν μέσω ενός υλικού που απορροφά τα μόρια καθώς διέρχονται. Ανεξάρτητα από το υλικό που αναλύεται, για να λειτουργήσει η χρωματογραφία, το υλικό πρέπει να έχει κινητή φάση.

Αν και οι τεχνικές χρωματογραφίας διαφέρουν, όλες εξαρτώνται από ένα συνδυασμό μοριακών διαφορών και κινητικότητας υλικού. Η χρωματογραφία λειτουργεί μεταδίδοντας το διαλυμένο υλικό, υγρό ή αέριο μέσω ενός υλικού φίλτρου. Τα μόρια διαχωρίζονται σε στρώσεις καθώς τα μόρια περνούν μέσα από το φίλτρο. Ο μηχανισμός διαχωρισμού εξαρτάται από τη μέθοδο φιλτραρίσματος, η οποία καθορίζεται από τα είδη των μορίων που πρέπει να διαχωριστούν. Αλλά ανεξάρτητα από τη μέθοδο που χρησιμοποιείται, τα μόρια ταξιδεύουν με διαφορετικούς ρυθμούς μέσω του φίλτρου, διαχωρίζοντας τα μόρια σε στρώματα που συχνά εμφανίζονται ως έγχρωμες γραμμές στο υλικό του φίλτρου.

Γενικά, τα μεγαλύτερα ή βαρύτερα μόρια ταξιδεύουν μέσω του υλικού φίλτρου πιο αργά από τα μικρότερα ή ελαφρύτερα μόρια. Τα μόρια διαχωρίζονται καθώς κινούνται επειδή ταξιδεύουν με διαφορετικές ταχύτητες, πέφτουν σαν ιζήματα που πέφτουν από το νερό καθώς πέφτει ο όγκος ή η ενέργεια του νερού.

Ενώ πολλές δοκιμές χρωματογραφίας απαιτούν ειδικό εξοπλισμό και τεχνικές, η χρωματογραφία μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ορισμένα πειράματα στο σπίτι και στο σχολείο χρησιμοποιώντας απλά υλικά.

Ανάλυση μελανιού στυλό

Μια απλή επίδειξη χρωματογραφίας χρησιμοποιεί φίλτρα καφέ και ποικιλία μαρκαδόρων. Εάν τα στυλό χρησιμοποιούν υδατοδιαλυτές μελάνες, ο διαλύτης που χρησιμοποιείται είναι νερό. Εάν οι δείκτες χρησιμοποιούν μόνιμο μελάνι, η ισοπροπυλική αλκοόλη συχνά λειτουργεί ως διαλύτης. Ξεκινήστε ισοπεδώνοντας ένα φίλτρο καφέ. Τοποθετήστε το φίλτρο καφέ σε μια πλάκα μιας χρήσης ή σε άλλο υλικό για να αποφύγετε τη χρώση των υποκείμενων επιφανειών. Χρησιμοποιήστε μια ποικιλία στυλό για να κάνετε κουκκίδες γύρω από το κεντρικό τμήμα του φίλτρου. Προσθέστε νερό ή αλκοόλ στο κέντρο του φίλτρου καφέ. Ένα κουταλάκι του γλυκού λειτουργεί καλά για αυτό. Μην προσθέτετε αρκετό υγρό για να δημιουργήσετε μια λακκούβα. το νερό ή το αλκοόλ πρέπει να εκτείνεται από το κέντρο. Καθώς το υγρό κινείται έξω από το κέντρο, οι μελάνες διαλύονται και κινούνται προς τα έξω από το κέντρο. Διαφορετικές χρωστικές στα μελάνια θα διαχωριστούν, θα πραγματοποιηθούν από το αρχικό σημείο μελανιού και θα εναποτίθενται σε σειρές με βάση τα μόρια χρωστικής.

Χρωματογραφία χλωροφύλλης

Ένα λίγο πιο περίπλοκο αλλά εξίσου ενδιαφέρον έργο χρωματογραφίας διαχωρίζει τη χλωροφύλλη που βρίσκεται στα φύλλα. Η χλωροφύλλη εμφανίζεται στα φύλλα των φυτών. Αν και η χλωροφύλλη είναι πράσινη, τα περισσότερα φύλλα περιέχουν επίσης επιπλέον χρωστικές ουσίες όπως καροτενοειδή, τα οποία δημιουργούν τα κόκκινα και πορτοκαλί χρώματα που βλέπετε το φθινόπωρο. Αυτά τα καροτενοειδή και άλλες χρωστικές ουσίες αποκαλύπτονται καθώς η πράσινη χλωροφύλλη αποικοδομείται, γι 'αυτό και τα φυλλοβόλα φύλλα φυτών παρουσιάζουν διαφορετικά χρώματα το φθινόπωρο. Ξεκινήστε επιλέγοντας πολλά πράσινα φύλλα. Συνθλίψτε τα φύλλα και εμποτίστε τα κομμάτια σε ισοπροπυλική αλκοόλη ή ακετόνη (ονομάζεται επίσης προπανόνη). Η χλωροφύλλη θα ξεπλυθεί από τα φύλλα και θα γίνει το υγρό πράσινο.

• Η ισοπροπυλική αλκοόλη και η ακετόνη είναι αμφότερα εύφλεκτα. Μην τα τοποθετείτε ή μην τα χρησιμοποιείτε κοντά ή με φλόγες ή πηγή θερμότητας.

Για να διαχωρίσετε τις χρωστικές, κόψτε μια λωρίδα πλάτους περίπου ίντσας από το κέντρο ενός πεπλατυσμένου φίλτρου καφέ ή χρησιμοποιήστε χαρτί χρωματογραφίας. Κολλήστε το ένα άκρο του χαρτιού σε ένα μολύβι. Ρίξτε περίπου 1 ίντσα του υγρού σε ένα δοχείο ελαφρώς μικρότερο από το χαρτί. Τοποθετήστε το μολύβι στο πάνω μέρος του δοχείου έτσι ώστε το κάτω μέρος του χαρτιού να είναι στο υγρό. Το υγρό θα υψωθεί στο χαρτί λόγω τριχοειδούς δράσης, μεταφέροντας τη χλωροφύλλη και άλλα μόρια χρωστικής. Καθώς το υγρό εξατμίζεται τα μόρια αφήνονται πίσω στο χαρτί, δημιουργώντας γραμμές χρωστικής. Αφαιρέστε το χαρτί όταν οι γραμμές γίνουν διακριτές, επειδή εάν το χαρτί παραμείνει πολύ μεγάλο, το υγρό θα μεταφέρει τελικά όλα τα μόρια χρωστικής στην κορυφή του χαρτιού.